$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Celem dwóch opisanych tutaj testów jest zbadanie wpływu na sygnalizację Ca2+ i reakcję akrosomów w ludzkim plemniku, jak wykazano dla wielu związków w kilku publikacjach wykorzystujących te testy1,2,3,4,5,6,7. Sygnalizacja Ca2+ i reakcja akrosomów są niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania plemników i męskiej płodności.
Ogólnym celem ludzkiej komórki plemnika jest zapłodnienie komórki jajowej. Aby móc skutecznie i naturalnie zapłodnić komórkę jajową, funkcje plemnika muszą być ściśle regulowane podczas podróży plemnika przez żeński układ rozrodczy8,9. Wiele funkcji plemników jest regulowanych przez wewnątrzkomórkowe stężenie Ca2+ [Ca2+]i (np. ruchliwość plemników, chemotaksja i reakcja akrosomowa)10. Również proces dojrzewania zwany kapacytacją, który sprawia, że plemnik jest zdolny do zapłodnienia komórki jajowej, jest częściowo regulowany przez [Ca2+]i10. Pompy Ca2+-ATPazy wytłaczające Ca 2+ sup class<="xref">11 utrzymują około 20 000 krotny gradient Ca2+ nad błoną ludzkich plemników, z spoczynkowym [Ca2+]i wynoszącym 50-100 nM. Jeśli Ca2+ może przejść przez błonę komórkową (np. Przez otwarcie kanałów Ca2+), następuje znaczny napływ Ca2+, powodując wzrost [Ca2+]i. Jednak plemnik przenosi również wewnątrzkomórkowe zapasy Ca2 +, które mogą uwalniać Ca2 +, a zatem powodować również wzrost [Ca2 +] i12. Co ciekawe, do tej pory stwierdzono, że cały napływ Ca2+ do ludzkich plemników za pośrednictwem kanału zachodzi za pośrednictwem CatSper (Cat ionic channel of Sperm), który ulega ekspresji tylko w plemnikach11. W ludzkich plemnikach CatSper jest aktywowany przez endogenne ligandy progesteron i prostaglandyny poprzez różne miejsca wiązania ligandów13,14,15, co prowadzi do szybkiego napływu Ca2+ do plemnika. Dwa główne źródła w pobliżu jaja zapewniają wysoki poziom tych endogennych ligandów. Jednym z nich jest płyn pęcherzykowy, który zawiera wysoki poziom progesteronu16. Płyn pęcherzykowy jest uwalniany z dojrzałych pęcherzyków wraz z komórką jajową podczas owulacji i miesza się z płynem w jajowodach17. Innym głównym źródłem są komórki wzgórka, które otaczają jajo i uwalniają wysoki poziom progesteronu i prostaglandyn. Wykazano, że indukowany progesteronem napływ Ca2+ do plemników pośredniczy w chemotaksji w kierunku komórki jajowej9,18, kontroluj ruchliwość plemników19,20 i stymuluj reakcję akrosomów21. Wyzwolenie tych indywidualnych [Ca2+]i-regulowanych funkcji plemników we właściwej kolejności i we właściwym czasie jest kluczowe dla zapłodnienia komórki jajowej8. W związku z tym stwierdzono, że nieoptymalny napływ Ca2+ wywołany progesteronem wiąże się ze zmniejszoną płodnością mężczyzn22,23,24,25,26,27,28,29 i funkcjonalny CatSper jest niezbędny dla mężczyzn Fertility26,30,31,32,33,34,35,36.
Gdy plemniki docierają do komórki jajowej, musi zajść sekwencja zdarzeń, aby doszło do zapłodnienia: 1) Plemniki muszą przeniknąć do otaczającej warstwy komórek wzgórka, 2) związać się z osłonką przejrzystą, 3) egzocytoza zawartości akrosomalnej, tak zwana reakcja akrosomowa37, 4) przeniknąć do osłonki przejrzystej, i 5) połączyć się z błoną jajową, aby zakończyć zapłodnienie38. Aby móc przejść przez te etapy i zapłodnić komórkę jajową, plemnik musi najpierw przejść kapacytację11, która rozpoczyna się, gdy plemniki opuszczają płyn nasienny zawierający czynniki "dekapacytujące"39 i wpływają do płynów żeńskiego układu rozrodczego o wysokim poziomie wodorowęglanów i albuminy37. Kapacytacja sprawia, że plemniki są zdolne do hiperaktywacji, formy ruchliwości z energicznym uderzeniem wici i reakcją akrosomalną37. Hiperaktywna ruchliwość jest wymagana do penetracji strefy przejrzystej40, a akrosom zawiera różne enzymy hydrolityczne, które wspomagają ten proces penetracji41. Dodatkowo, reakcja akrosomowa sprawia, że plemniki są zdolne do łączenia się z komórką jajową poprzez odsłonięcie specyficznych białek błonowych na powierzchni plemnika, niezbędnych do fuzji plemnika z jajem42. W związku z tym zdolność do ulegania hiperaktywacji i reakcji akrosomowej jest wymagana do pomyślnego zapłodnienia jaja40,42. W przeciwieństwie do tego, co zaobserwowano w przypadku plemników myszy43,44,45, tylko ludzkie plemniki, które są nienaruszone pod względem akrosomu, mogą wiązać się z osłoną przejrzystą46. Kiedy ludzkie plemniki są związane z osłonką przejrzystą, muszą przejść reakcję akrosomalną, zarówno w celu przeniknięcia do osłonki przejrzystej41, jak i w celu odsłonięcia specyficznych białek błonowych, które są potrzebne do fuzji z jajem38. Czas reakcji akrosomów w plemnikach ludzkich ma zatem kluczowe znaczenie dla zajścia zapłodnienia.
Jak opisano powyżej, sygnalizacja Ca2+ jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania plemników8, a zatem bardzo interesujące jest możliwość badania dużej liczby związków pod kątem wpływu na sygnalizację Ca2+ w ludzkich plemnikach. Podobnie, ponieważ tylko ludzkie plemniki, które przechodzą reakcję akrosomową we właściwym czasie i miejscu, mogą przeniknąć do osłonki przejrzystej i zapłodnić komórkę jajową46,47, bardzo interesująca jest również możliwość testowania związków pod kątem ich zdolności do wpływania na reakcję akrosomów w ludzkich plemnikach. W tym celu opisano dwa średnioprzepustowe testy przesiewowe: 1) test wpływu na sygnalizację Ca2 + w ludzkich plemnikach oraz 2) test zdolności do indukowania reakcji akrosomów w plemnikach ludzkich.
Test 1 jest średnioprzepustowym testem sygnalizacyjnym Ca2+. Ta technika oparta na czytniku płytek fluorescencyjnych monitoruje zmiany fluorescencji w funkcji czasu jednocześnie w wielu studzienkach. Wrażliwy na Ca2+ barwnik fluorescencyjny, Fluo-4 ma Kd dla Ca2 + ≈ 335 nM i jest przenikany komórkowo w postaci estru AM (acetoksymetylowego). Za pomocą Fluo-4 można zmierzyć zmiany w [Ca2+]i w czasie i po dodaniu do plemników interesujących ich związków. Test został opracowany przez laboratorium Timo Strünkera w 2011 roku13 i od tego czasu został wykorzystany w kilku badaniach przesiewowych do badań przesiewowych związków pod kątem wpływu na sygnalizację Ca2+ w ludzkim nasieniu1,2,3,4,5. Podobna metoda została również wykorzystana do przesiewania wielu kandydatów na leki48. Ponadto test ten jest również przydatny do oceny farmakologicznego sposobu działania1,2,3,4,5, krzywe dawka-odpowiedź1,2,3,4,5, Inhibicja rywalizacji1,2, additivity1,2, and synergism3 związków będących przedmiotem zainteresowania.
Test 2 to średnioprzepustowy test reakcji akrosomalnej. Ta technika oparta na cytometrze obrazowym mierzy ilość żywotnych plemników reagujących na akrosom w próbce przy użyciu trzech barwników fluorescencyjnych: jodku propidyny (PI), lektyny Pisum sativum sprzężonej z FITC (FITC-PSA) i Hoechst-33342. Test został zmodyfikowany na podstawie podobnej metody opartej na cytometrii przepływowej przez Zoppino et al.49 i był używany w kilku badaniach6,7. Jeśli chodzi o test sygnalizacji Ca2 +, ten test reakcji akrosomów można również wykorzystać do oceny krzywych dawka-odpowiedź, hamowania, addytywności i synergizmu interesujących związków.