espermatogénesis in vitro

Los cultivos celulares pueden incluir monocultivos, donde se cultiva una población celular, o sistemas de cocultivo, donde se pueden cultivar varias líneas celulares (deben ser al menos dos) juntas. ^{[ 3 ]} Las células se aíslan inicialmente para el cultivo mediante la digestión enzimática del tejido testicular para separar los diferentes tipos celulares para el cultivo. ^{[ 4 ]} El proceso de aislamiento celular puede provocar daños celulares. ^{[ 5 ]}

La principal ventaja del monocultivo es que permite investigar el efecto de diferentes influencias sobre una población celular específica. El cocultivo permite observar y experimentar con las interacciones entre poblaciones celulares, lo que se considera una ventaja sobre el modelo de monocultivo. ^{[ 3 ]}

El cultivo celular aislado, específicamente el cocultivo de tejido testicular, ha sido una técnica útil para examinar la influencia de factores específicos como las hormonas o las diferentes células de soporte en la progresión de la espermatogénesis in vitro . Por ejemplo, se han investigado factores como la temperatura, la influencia de las células de soporte y el papel de la testosterona y la hormona foliculoestimulante (FSH) mediante técnicas de cultivo celular aislado. ^{[ 3 ]}

Los estudios han concluido que diferentes factores pueden influir en el cultivo de células germinales, como el medio de cultivo, los factores de crecimiento, las hormonas y la temperatura. Por ejemplo, al cultivar células germinales de ratón inmortalizadas a temperaturas de 35, 37 y 29 °C, estas células proliferan más rápidamente a la temperatura más alta y menos rápidamente a la más baja, pero se observaron diferentes niveles de diferenciación. A la temperatura más alta no se detectó diferenciación, se observó cierta diferenciación a 37 °C y aparecieron algunas espermátidas tempranas a 32 °C. ^{[ 3 ]} La técnica de cultivo de células aisladas se ha utilizado con éxito para la producción in vitro de esperma utilizando el ratón como modelo animal. ^{[ 6 ]}

Las investigaciones sobre las células de soporte adecuadas concluyeron que una variedad de células podrían estimular el desarrollo de células germinales, como las células de Sertoli , las células de Leydig y las células mioides peritubulares , pero las más esenciales son las células de Sertoli. Sin embargo, tanto las células de Leydig como las células mioides peritubulares contribuyen al microambiente que favorece que las células madre permanezcan pluripotentes y se autorrenueven en el testículo. ^{[ 7 ]}

En los cultivos de fragmentos, se extrae el testículo y se cultivan fragmentos de tejido en medios suplementarios que contienen diferentes factores de crecimiento para inducir la espermatogénesis y formar gametos funcionales. ^{[ 2 ]} El desarrollo de esta técnica de cultivo se ha llevado a cabo principalmente con el uso de modelos animales, por ejemplo, tejido testicular de ratones o ratas.

La ventaja de usar este método es que mantiene la disposición espacial natural de los túbulos seminíferos . Sin embargo, la hipoxia es un problema recurrente en estos cultivos donde el bajo suministro de oxígeno dificulta el desarrollo y la maduración de las espermátidas (significativamente más en tejidos testiculares adultos que inmaduros). ^{[ 2 ]} Otros desafíos con este tipo de cultivo incluyen mantener la estructura de los túbulos seminíferos, lo que hace más difícil para cultivos celulares a largo plazo ya que las estructuras del tejido pueden aplanarse haciendo que sea difícil trabajar con ellas. ^{[ 7 ]} Para resolver algunos de estos problemas, se pueden utilizar cultivos 3D.

En 2012, se aislaron espermatozoides maduros capaces de fertilizar a partir de un cultivo in vitro de tejido testicular inmaduro de ratón. ^{[ 8 ]}

Los cultivos 3D utilizan esponjas, modelos o andamios que se asemejan a los elementos de la matriz extracelular para lograr una estructura espacial más natural de los túbulos seminíferos y para representar mejor los tejidos y la interacción entre diferentes tipos de células en un experimento ex vivo . Diferentes componentes de la matriz extracelular, como colágeno , agar y alginato de calcio, se utilizan comúnmente para formar el gel o andamio que puede proporcionar oxígeno y nutrientes. ^{[ 3 ]} Para propagar cultivos 3D, los cultivos de células testiculares se incrustan en la esponja/andamio poroso y se les permite colonizar la estructura, que luego puede sobrevivir durante varias semanas para permitir que las espermatogonias se diferencien y maduren en espermatozoides.

Además, agitar los cultivos 3D durante el proceso de siembra permite un mayor suministro de oxígeno, lo que ayuda a superar el problema de la hipoxia y, por lo tanto, mejora la vida útil de las células. ^{[ 3 ]}

A diferencia de los monocultivos, los cultivos de fragmentos/3D pueden establecer condiciones in vitro que se asemejan en cierta medida al microambiente testicular, lo que permite un estudio más preciso de la fisiología testicular y sus asociaciones con el desarrollo in vitro de las células espermáticas. ^{[ 3 ]}

La capacidad de reproducir la espermatogénesis in vitro ofrece una oportunidad única para estudiar este proceso biológico mediante un método de investigación a menudo más económico y rápido que el trabajo in vivo . La observación suele ser más sencilla in vitro , ya que las células objetivo están mayormente aisladas e inmóviles. Otra ventaja significativa de la investigación in vitro es la facilidad con la que se pueden modificar y monitorizar los factores ambientales. Además, ahora se pueden explorar técnicas que no son prácticas ni viables in vivo . ^{[ 8 ]}

El trabajo in vitro no está exento de desafíos. Por ejemplo, se pierde la estructura natural que proporciona el tejido in vivo y, por lo tanto, las conexiones celulares que podrían ser importantes para la función del tejido. ^{[ 2 ]}

Aunque la espermatogénesis de los roedores no es idéntica a la humana, especialmente debido a la alta tasa de evolución del tracto reproductivo masculino, estas técnicas constituyen un sólido punto de partida para futuras aplicaciones en humanos. ^{[ 8 ]}

Diversas categorías de hombres infértiles podrían beneficiarse de los avances en estas técnicas, especialmente aquellos con una producción insuficiente de gametos viables. Estos hombres no pueden beneficiarse, por ejemplo, de las técnicas de extracción de esperma y actualmente tienen pocas o ninguna opción para producir descendencia genética. ^{[ 9 ]}

Cabe destacar que los varones que se sometieron a quimioterapia o radioterapia antes de la pubertad podrían beneficiarse de la espermatogénesis in vitro . ^{[ 1 ]} Estas personas no tuvieron la opción de criopreservar espermatozoides viables antes del procedimiento, por lo que la capacidad de generar espermatozoides genéticamente descendientes más adelante en la vida es invaluable. Los posibles métodos que podrían aplicarse (a este y otros grupos) son la inducción de la espermatogénesis en muestras testiculares tomadas antes de la pubertad o, si estas muestras no están disponibles o no son viables, nuevos métodos que manipulen la diferenciación de células madre podrían producir células madre espermatogoniales (SSC) "desde cero", utilizando muestras de células madre adultas . ^{[ 8 ]}

Un método alternativo consiste en injertar tejido preservado en supervivientes de cáncer adultos; sin embargo, esto conlleva riesgos operativos, así como el riesgo de reintroducir células malignas. ^{[ 10 ]} Aun utilizando este método, los avances en la espermatogénesis in vitro permitirían ampliar y observar las muestras para garantizar mejor la calidad y cantidad del tejido del injerto. ^{[ 7 ]}

En aquellos con células madre espermatogoniales (SSC) sanas o conservadas, pero sin un entorno celular que las sustente, se podría utilizar la espermatogénesis in vitro tras el trasplante de las SSC a tejido donante sano. ^{[ 7 ]}

Otro grupo que podría beneficiarse de la espermatogénesis in vitro son aquellos con algún tipo de impedimento genético para la producción de esperma. Quienes no desarrollan células madre espermatogoniales viables son un objetivo obvio, pero también aquellos con diferentes grados de detención de la espermatogénesis; anteriormente, sus células germinales subdesarrolladas se inyectaron en ovocitos, sin embargo, esto tiene una tasa de éxito de solo el 3% en humanos. ^{[ 7 ]}

Finalmente, la espermatogénesis in vitro utilizando células animales o humanas puede utilizarse para evaluar los efectos y la toxicidad de los fármacos antes de las pruebas in vivo . ^{[ 3 ]}