고분해능 호흡 측정법에 의한 정자 미토콘드리아 기능 분석은 밀폐 챔버 시스템에서 자유롭게 움직이는 정자의 산소 소비량을 측정할 수 있습니다. 이 기술은 정자 미토콘드리아 특성 및 무결성에 대한 정보를 제공하는 인간 정자의 호흡을 측정하는 데 적용할 수 있습니다.
방법 논문
고분해능 호흡 측정법에 의한 정자 미토콘드리아 기능 분석은 밀폐 챔버 시스템에서 자유롭게 움직이는 정자의 산소 소비량을 측정할 수 있습니다. 이 기술은 정자 미토콘드리아 특성 및 무결성에 대한 정보를 제공하는 인간 정자의 호흡을 측정하는 데 적용할 수 있습니다.
정액의 질은 종종 일상적인 정액 분석을 통해 연구되며, 이는 설명적이며 종종 결정적이지 않습니다. 남성 불임은 정자 미토콘드리아 활동의 변화와 관련이 있으므로 정자 미토콘드리아 기능의 측정은 정자의 질을 나타내는 지표입니다. 고분해능 호흡 측정법은 밀폐 챔버 시스템에서 세포 또는 조직의 산소 소비량을 측정하는 방법입니다. 이 기술은 인간 정자의 호흡을 측정하기 위해 구현될 수 있으며 정자 미토콘드리아의 품질과 무결성에 대한 정보를 제공합니다. 고해상도 호흡 측정법은 세포가 자유롭게 움직일 수 있도록 하며, 이는 정자의 경우 선험적 이점입니다. 이 기술은 온전하거나 투과된 정자와 함께 적용할 수 있으며 온전한 정자 미토콘드리아 기능과 개별 호흡 사슬 복합체의 활성을 연구할 수 있습니다. 고분해능 산소 그래프 기기는 센서를 사용하여 산소 농도를 측정하고 민감한 소프트웨어와 함께 산소 소비량을 계산합니다. 이 데이터는 산소 소비 비율을 기반으로 호흡 지수를 계산하는 데 사용됩니다. 결과적으로, 지수는 두 산소 소비율의 비율이며 내부적으로 세포 수 또는 단백질 질량으로 정규화됩니다. 호흡 지수는 정자 미토콘드리아 기능과 기능 장애를 나타내는 지표입니다.
남성 불임은 부부 불임 사례의 40%-50%를 차지하는 것으로 추정된다1. 기존의 정액 분석은 남성의 생식력을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 불임 남성의 약 15%는 정상적인 정자 매개변수를 가지고 있다2. 또한, 일상적인 정액 분석은 정자 기능에 대한 제한된 정보를 제공하며 미묘한 정자 결함을 반영하지 않는다3.
정자 미토콘드리아는 편모 주위에 나선형 덮개로 배열되어 있기 때문에 특별한 구조를 가지고 있습니다. 미토콘드리아 외피는 미토콘드리아 간 링커에 의해 연결되고 외부 미토콘드리아 막 4,5 상의 정렬된 단백질 배열에 의해 세포골격에 고정되는 다양한 수의 미토콘드리아를 포함합니다. 이 구조는 정자 미토콘드리아를 분리하는 것을 특히 어렵게 만듭니다. 따라서 정자 미토콘드리아 기능에 대한 대부분의 연구는 현장 분석 또는 demembranated sperm6을 사용한다.
정자 미토콘드리아 구조 및 기능은 남성 불임과 일관되게 연관되어 있으며, 7,8,9,10,11 이러한 세포 기관의 구조와 기능에 대한 분석이 정자 분석에 포함될 수 있음을 시사합니다.
미토콘드리아는 특히 산소를 사용하여 산화적 인산화(OXPHOS)를 통해 아데노신 삼인산(ATP)을 생성함으로써 세포 에너지 대사에 중요한 역할을 합니다. 특히 정자(spermatozoa)의 경우, ATP(해당과정 대 OXPHOS)의 출처에 대한 논란이 있으며, 많은 데이터가 논란의 여지가 있으며 다른 실험적 접근법에 의존하고있다 4,12,13. 산소 측정에 의한 호흡 측정은 미토콘드리아 호흡 능력, 미토콘드리아 무결성 및 세포의 에너지 대사에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다14,15,16. 전통적으로 이 기술은 50년 이상 미토콘드리아 호흡을 측정하는 데 사용되어 온 기기인 Clark 산소 전극을 사용하여 수행되었습니다17,18. 또한, 정자 미토콘드리아 산소 소비량은 고전적인 Clark 산소 전극 19,20,21을 사용하여 분석되었습니다. 산소 그래프(Oroboros)를 사용하는 고분해능 호흡 측정법(HRR)은 기존의 호흡 측정 장치를 사용하는 것보다 더 높은 감도를 제공한다22. 산소 그래프는 주입 포트가 있는 두 개의 챔버로 구성되며 각 챔버에는 폴라로그래픽 산소 센서가 있습니다. 이 기술을 사용하면 조직 슬라이드, 세포 및 분리된 미토콘드리아 현탁액을 분석할 수 있습니다. 표본은 챔버에서 지속적으로 교반되고 실험 중에 산소 소비량이 측정되고 특정 소프트웨어를 사용하여 산소 비율이 계산됩니다. 챔버는 감소된 산소 누출을 보여주는데, 이는 종래의 산소 전극 장치(14,23)에 비해 장점이다.
다른 세포와 마찬가지로 정자의 경우 HRR 장비의 감도가 기존 호흡기 측정보다 높기 때문에 HRR 장비는 제한된 수의 온전하거나 투과된 정자 세포의 분석에 사용할 수 있습니다. HRR에 의한 정자 미토콘드리아 기능 평가에는 두 가지 주요 전략이 있습니다: (a) 포도당과 같은 기질을 포함하는 배지에서 호흡 기능을 재현하는 온전한 세포의 산소 소비량을 측정하거나, (b) 각 기능을 개별적으로 모니터링하기 위해 특정 기질을 추가하여 OXPHOS 복합체 중 하나를 사용하여 투과된 세포의 산소 소비량을 측정합니다.
본 연구에서는 인간 정자 세포의 미토콘드리아 호흡을 결정하기 위해 HRR을 사용하는 방법을 설명합니다.
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실험은 우루과이 몬테비데오에 있는 Facultad de Medicina de la Universidad de la República의 윤리 위원회의 승인을 받았습니다.

그림 1: 온전하고 투과된 인간 정자의 미토콘드리아 기능을 평가하기 위한 고분해능 호흡 측정법의 워크플로우. 프로토콜은 1) 샘플 준비, 2) Oroboros 기기에서의 산소 보정, 3) 온전한 세포와 투과된 세포에 대한 산소 소비량 측정, 4) 장비에서 데이터 추출 및 분석의 네 가지 단계로 나뉩니다. 약어: CASA = 컴퓨터 보조 정자 분석; BWW = Biggers Whitten Whittingham 미디엄; MRM = 미토콘드리아 호흡 배지; ADP = 아데노신 이인산; FCCP = 카르보닐 시안화물 -p-트리플루오로메톡시페닐히드라존; AA = antimycin A. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
참고: HRR을 사용하여 정자 세포의 산소 소비량을 측정하는 작업 흐름은 그림 1에 나와 있습니다. 프로토콜에 사용된 재료, 장비 및 시약에 대한 정보는 재료 표에 나와 있습니다.
1. 샘플 준비
2. 고해상도 호흡 측정: OXPHOS 분석
참고: HRR은 고감도 산소 그래프(Oxygraph-2 K; Oroboros Instruments GmbH, Innsbruck, Austria) 및 소프트웨어(DatLab, 버전 4.2; Oroboros Instruments GmbH)를 참조하십시오. 실험 데이터는 산소 농도 대 시간(O2/106 세포·min−1의 pmol)과 이러한 데이터의 실시간 변환으로 표시되므로 실험자가 실험이 진행되는 동안 생물학적 및 생화학적 샘플의 호흡(산소 소비량, 산소 플럭스)을 추적할 수 있습니다. HRR은 살아있는 세포와 운동성 세포의 호흡을 추적하는 데 사용할 수 있으며, 이는 운동성이 정자의 품질 및 생식력 잠재력과 관련이 있는 정자에 특히 유용합니다. 실험실은 두 개의 챔버가 있는 HRR Oroboros Oxygraph2-k, Oroboros Instruments를 사용합니다. 이 프로토콜에 설명된 단계는 두 2mL 챔버 모두에 대해 독립적으로 수행해야 합니다.
3. 데이터 추출 및 분석

그림 2: 고분해능 호흡 측정 실험에서 호흡 파라미터 획득. (A,B) 그림 1에 설명된 대로 각각 온전한 세포와 투과된 세포에 대해 얻은 그래프의 개략적인 표현. 이들 파라미터들은 이전에 설명되었다15. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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정자 세포에서 디지토닌의 최적 농도 결정
이 프로토콜에서는 인간 정자 세포에서 OXPHOS의 실시간 변화를 모니터링하기 위해 HRR을 사용하는 방법을 제시합니다. 이 방법은 온전한 정자 또는 디지토닌 투과화된 정자를 분석하는 데 사용할 수 있기 때문에 먼저 정자 세포를 투과시키는 데 필요한 디지토닌 농도의 표준화를 제시합니다(그림 3).
디지토닌은 기질이 세포에 들어갈 수 있도록 하는 화학적 투과화와 미토콘드리아 활동 측정에 사용됩니다. 이 화합물은 미토콘드리아 막 무결성을 손상시키지 않으면서 세포막 투과를 보장하는 데 필요한 최적의 농도를 얻기 위해 온전한 세포에서 적정되어야 합니다. 우리는 ADP, 글루타메이트 및 말레이트의 존재 하에서 적정을 수행했습니다. 호흡수는 기준선과 디지토닌을 점진적으로 첨가한 후에 측정했습니다(그림 3A)....
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HRR은 (a) 장비 유지보수, (b) 산소 센서의 정확한 교정, (c) 언커플러 적정(26), 그리고 마지막으로 (d) 미토콘드리아 기능을 나타내는 지수의 적절한 사용과 같은 몇 가지 단계에 따라 결정적으로 달라집니다. 장비 유지 보수는 매우 중요합니다. 폴라로그래픽 산소 센서의 멤브레인을 정기적으로 교체하고 기기 배경을 수정하는 것이 좋습니다. 챔버에서 정자를 채취 한 후 광범위한 세척은 특히 다양한 조직이나 세포를 분석하는 데 자주 사용되는 실험실에서 좋은 복제를 얻는 데 필수적입니다. 정자는 소량의 로테논, AA, 올리고마이신 및 FCCP에도 민감하므로 세척 단계를 신중하게 수행해야 합니다(에탄올로 최소 3회, 증류수로 3회). 교정은 중요한 단계입니다. 매일 그리고 사용된 각 미디어에 대해 수행해야 합니다(프로토콜 단계 2.2 참조). 플럭스의 최대 자극을 달성하고 역설적으로 호흡을 억제하는 과잉 적정을 피하기 위해 최적의 언커플러 농도를 사용해야 하므로 언커플러 적정은 신중하...
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저자는 공개할 것이 없습니다.
기증자를 만날 수 있게 해주신 Fertilab Andrology 클리닉, 특히 José María Montes와 Andrea Torrents에게 감사드립니다. 자금 지원: A.C.는 Universidad de la República(CSIC_2018, Espacio Interdisciplinario_2021)의 보조금으로 지원됩니다. 추가 자금은 Programa de Desarrollo de Ciencias Básicas(우루과이 PEDECIBA)에서 받았습니다. PI 및 RS 지원은 Universidad de la República (I+D, CSIC 2014; I+D, CSIC 2016, Iniciación a la Investigación, CSIC 2019 및 FMV_1_2017_1_136490 ANII- 우루과이). PI는 POS_FMV_2018_1_1007814 및 CAP-UDELAR 2020에서 지원됩니다. 수치는 Biorender.com 를 사용하여 설명되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 무산성 - 소 혈청 알부민 | 시그마 Aldrich | A8806 | |
| 아데노신 5'- 디 포스페이트 모노 칼륨 염 이수화 물 | 시그마 Aldrich | A5285 | |
| 애니 마이신 A 스트렙토 마이세스 sp. | 시그마 알드리치 | A8674 | |
| 염화칼슘 | 시그마 알드리치 | C4901 | |
| 카르보닐 시안화물-P-트리플루오로메톡시-페닐히드라존 | 시그마 알드리치 | C2920 | |
| DatLab 소프트웨어 버전 4,2 | Oroboros Instruments GmbH | N/A | |
| D-글루코스 | 시그마 알드리치 | G7021 | |
| 디지토닌 | 시그마 알드리치 | D141 | |
| EGTA | 시그마 알드리치 | E4378 | |
| HEPES | 시그마 알드리치 | H3375 | |
| L 글루탐산 | 시그마 알드리치 | G1251 | |
| L 말산 | 시그마 알드리치 | M1000 | |
| 황산 | 마그네슘 시그마 알드리치 | M7506 | |
| 마이크로리터 주사기 | 해밀턴 | 87900 또는 80400 | |
| 현미경 카메라 | Basler | acA780-75gc | |
| 현미경 Eclipse E200 위상차 10X Ph+ | Nikon | N/A | |
| 인산일칼륨 | 시그마 Aldrich | P5655 | |
| MOPS | 시그마 Aldrich | M1254 | |
| 올리고마이신 A | 시그마 Aldrich | 75351 | |
| Oxygraph-2 K | Oroboros Instruments GmbH | N/A | |
| 염화칼 | 시그마 Aldrich | P3911 | |
| 파워 O2K-호흡계 | Oroboros Intruments | 10033-01 | |
| 로테논 | 시그마 알드리치 | R8875 | |
| 당류 | 시그마 알드리치 | S0389 | |
| 소듐바이카보네이 | 시그마 알드리치 | S5761 | |
| 젖산 나트륨 | 시그마 알드리치 | L7022 | |
| 피루브산 나트륨 | 시그마 알드리치 | P2256 | |
| 정자 등급 분석기 6.3.0.59 Evolution-SCA Research | Microptic | N/A | |
| 정자 계수 챔버 DRM-600 | Millennium Sciences CELL-VU | N/A | |
| 숙시네이트 디소듐 염 | Sigma Aldrich | W327700 |
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이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청An erratum was issued for: High-Resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Human Spermatozoa. The Protocol and Representative Result sections were updated.
Step 2.4.12 of the Protocol was updated from:
Finally, inject 1 µL of 5 mM antimycin A (2.5 µM final concentration). This is a complex II inhibitor to discriminate between the mitochondrial and residual oxygen consumption (non-mitochondrial respiration). For the analysis of complex I, add 1 µL of 1 mM rotenone (0.5 µM final concentration), an inhibitor of this complex, instead of AA. Measure the oxygen consumption until the signal decreases and stabilizes.
to:
Finally, inject 1 µL of 5 mM antimycin A (2.5 µM final concentration). This is a complex III inhibitor to discriminate between the mitochondrial and residual oxygen consumption (non-mitochondrial respiration). For the analysis of complex I, add 1 µL of 1 mM rotenone (0.5 µM final concentration), an inhibitor of this complex, instead of AA. Measure the oxygen consumption until the signal decreases and stabilizes.
Figure 3 in the Representative Results section was updated from:

Figure 3: Determination of the optimal concentration of digitonin for the permeabilization of human sperm cells. The respiration rates were measured at 37 °C in MRM medium with glutamate, malate, and adenosine diphosphate. (A) Representative respiratory trace. The blue line is the O2 concentration, and the red line represents the O2 flow per volume correlated. (B) Mitochondria respiration rate means ± standard error, n = 4. The red arrow represents the optimal concentration. Abbreviation: dig = digitonin. Please click here to view a larger version of this figure.
to:

Figure 3: Determination of the optimal concentration of digitonin for the permeabilization of human sperm cells. The respiration rates were measured at 37 °C in MRM medium with glutamate, malate, and adenosine diphosphate. (A) Representative respiratory trace. The blue line is the O2 concentration, and the red line represents the O2 flow per volume correlated. (B) Mitochondria respiration rate means ± standard error, n = 4. The red arrow represents the optimal concentration. Abbreviation: dig = digitonin. Please click here to view a larger version of this figure.