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Aquí, presentamos un método para realizar la inyección redonda de espermatida (ROSI) en ratones, una técnica con aplicaciones clínicas prometedoras y utilidad para investigar los mecanismos subyacentes al desarrollo embrionario.
Las espermátidas redondas, caracterizadas por su contenido genético haploide, representan las células precursoras de los espermatozoides maduros. A través de la innovadora técnica de inyección redonda de espermatida (ROSI), los ovocitos pueden fertilizarse con éxito y convertirse en fetos viables. En un hito revolucionario logrado en 1995, nació el primer feto de ratón gracias a la tecnología ROSI. Desde entonces, ROSI se ha convertido en una herramienta fundamental para desentrañar los intrincados mecanismos que rigen el desarrollo embrionario y tiene un potencial significativo en diversas aplicaciones, incluida la aceleración de la generación de ratones y la producción de ratones modificados genéticamente. En 1996, se alcanzó un hito cuando nació el primer feto humano a través de la tecnología ROSI. Sin embargo, las aplicaciones clínicas de este método han mostrado un patrón fluctuante de éxito y fracaso. Hasta la fecha, la tecnología ROSI no ha encontrado una aplicación generalizada en la práctica clínica, principalmente debido a su baja eficiencia en el parto y a la insuficiente validación de la seguridad fetal. Este artículo proporciona una descripción completa de los métodos precisos de realización de ROSI en ratones, con el objetivo de arrojar nueva luz sobre la investigación básica y sus posibles aplicaciones clínicas.
La etapa final de la espermatogénesis implica la transformación de una espermatida redonda en un espermatozoide completamente desarrollado, caracterizadopor estructuras distintas de cabeza, cuello y cola alargada. Esta transformación abarca cambios significativos en la morfología celular, como la condensación de la cromatina en el núcleo, el reemplazo de histonas por protamina, la formación de acrosomas, el desarrollo de la vaina mitocondrial, la migración y pérdida de centriolos, la formación de la estructura de la cola y la eliminación de residuos celulares2.
En 1992, el primer feto humano nació con éxito gracias a la tecnología de inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI)3. Desde entonces, los investigadores han estado explorando el potencial de utilizar espermátidas redondas, que comparten la misma composición genética haploide que los espermatozoides maduros, para fertilizar ovocitos y mantener embarazos viables 2,4. Posteriormente, en 1996, nació el primer feto humano concebido mediante la tecnología de inyección redonda de espermatida (ROSI) 5,6. Vale la pena señalar que los estudios que involucraron ICSI y ROSI en ratones quedaron rezagados con respecto a los de humanos debido a la susceptibilidad de la membrana del ovocito de ratón al daño durante el proceso de inyección. Este problema se resolvió con éxito con la introducción del dispositivo de ruptura de membrana piezoeléctrica. Así, en 1995 nació el primer ratón concebido a través de la tecnología ROSI. Además, también se están llevando a cabo investigaciones sobre el ROSI en otros animales 7,8.
Actualmente, la investigación sobre ROSI se centra principalmente en los siguientes aspectos: aplicación clínica, elucidación de mecanismos y estrategias para mejorar la eficiencia del desarrollo, junto con aplicaciones más amplias de la tecnología ROSI. En el contexto de las aplicaciones clínicas, a pesar del nacimiento del primer feto humano ROSI a través de ROSI en 1996, el progreso ha estado marcado por una serie de éxitos y fracasos 9,10,11,12. Hasta la fecha, la tecnología ROSI no ha logrado una implementación clínica generalizada, en gran parte debido a su baja eficiencia y a la necesidad de una mayor validación con respecto a la seguridad de los fetos concebidos a través de la tecnología ROSI. Las estadísticas incompletas indican que, a nivel mundial, se han dado a luz menos de 200 fetos humanos concebidos por ROSI. Un punto de inflexión en la comprensión del potencial de la tecnología ROSI ocurrió en 2015 cuando Tanaka y sus colegas informaron sobre el nacimiento exitoso de 14 fetos a través de la tecnología ROSI, infundiendo una confianza renovada en su aplicación clínica y factibilidad13,14. La tecnología ROSI es muy prometedora para abordar los desafíos de la biología reproductiva, particularmente en pacientes con azoospermia no obstructiva. Además de sus aplicaciones clínicas, ROSI sirve como una herramienta valiosa para estudiar los intrincados mecanismos del desarrollo embrionario 15,16,17.
Se han llevado a cabo numerosos estudios en animales para investigar los factores subyacentes que contribuyen a la baja eficiencia de ROSI para lograr el desarrollo embrionario completo. Estos factores abarcan la elección de los métodos de activación asistida de ovocitos (AOA) y sus momentos, las anomalías en la estabilidad genómica y, en particular, las anomalías en las modificaciones epigenéticas. Es importante reconocer que las espermátidas redondas son células germinales inmaduras, que difieren significativamente de los espermatozoides maduros en varios aspectos fisiológicos. Mizuki Sakamoto y sus colegas indicaron que H3K27me3, derivado de espermátidas redondas, está asociado con la cromatina que es menos accesible y conduce a una expresión génica alterada en los embriones ROSI18. En un estudio relacionado realizado por Jing Wang y sus colegas, los defectos de reprogramación en los embriones ROSI en las etapas pronucleares se asociaron predominantemente con la expresión errónea de una cohorte de los genes responsables de la activación menor del genoma cigótico19. También descubrieron que la introducción de un inhibidor selectivo de la histona eucromática lisina metiltransferasa 2, A366, podría mejorar la tasa de desarrollo general aproximadamente dos veces.
El ratón se erige como uno de los animales modelo más valiosos para el estudio del desarrollo embrionario. Este artículo explica cómo realizar el ROSI en ratones. Este protocolo integral abarca la selección de ratones adecuados, procedimientos detallados de inducción de la ovulación, técnicas de AOA, técnicas de inyección y la preparación de ratones sustitutos. Además, presentamos un análisis comparativo de los efectos de dos regímenes de inyección sobre la eficiencia del parto: AOA seguido de ROSI (A-ROSI; primer régimen) y ROSI seguido de AOA (ROSI-A; segundo régimen). Nuestro objetivo es animar a los investigadores a realizar experimentos con ROSI en ratones con mayor precisión, ofreciendo un apoyo más sólido para su aplicación clínica y la investigación fundamental de los mecanismos de desarrollo embrionario.
Los ratones B6D2F1 (C57BL/6 x DBA/2), C57BL/6 e ICR utilizados en este experimento se compraron a Beijing Vital River Laboratory Animal Technologies Co. Ltd. (Beijing, China). Todos los tratamientos con animales se adhirieron a los procedimientos y estándares experimentales aprobados por el Comité de Ética de Animales Experimentales del Primer Hospital de la Universidad de Jilin (número de aprobación: 20200435).
1. Preparación de los reactivos pertinentes
2. Preparación de ovocitos
3. Preparación de espermátidas redondas y espermatozoides.
4. Inyección redonda de espermatida (ROSI)
5. Inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI)
6. Activación asistida de ovocitos (AOA)
7. Transferencia embrionaria
8. Análisis estadístico
Comenzamos nuestra investigación examinando el efecto de AOA en la capacidad de desarrollo de los embriones. En la Figura 1A se muestra una ilustración esquemática del diseño experimental. Antes de la inyección de espermatozoides, los ovocitos se sometieron a AOA (A-ICSI) o permanecieron sin tratamiento (ICSI). En la Tabla 1 se presentan datos detallados sobre el desarrollo embrionario. Los resultados no revelaron diferencias significativas en las tasas de escisión, blastocisto o natalidad entre los grupos A-ICSI e ICSI (P > 0,05; Figura 1B). Estos hallazgos indican que el uso de AOA 10 mM SrCl2 durante 20 min no afectó el potencial de desarrollo de los embriones.
Anteriormente se informó que no había diferencias perceptibles en la eficiencia del desarrollo de los embriones ROSI seleccionados por FACS o por examen visual directo bajo un microscopio22. Nuestros experimentos emplearon la tecnología FACS para identificar RS (Figuras 2A,B). Bajo el microscopio, las espermátidas redondas de ratón tenían aproximadamente 10 μm de diámetro y mostraban una estructura de nucléolo similar a una protuberancia en el centro (Figura 2C). Postulamos que la selección a través de FACS es más precisa que el examen visual directo bajo un microscopio. Además, la literatura apoya la exploración directa de las RS a través de las diferencias morfológicas. Los embriones ROSI se generaron utilizando dos métodos distintos: el grupo A-ROSI, en el que los ovocitos se sometieron a AOA antes de la inyección redonda de espermatida, y el grupo ROSI-A, en el que los ovocitos se sometieron a AOA después de la inyección redonda de espermatida. El diagrama esquemático del diseño experimental se muestra en la Figura 1C. Cabe destacar que no se encontraron diferencias significativas en las tasas de escisión y blastocisto entre los grupos A-ROSI, ROSI-A e ICSI (P > 0,05; Figura 1D). Las tasas de blastocisto de los grupos A-ROSI, ROSI-A e ICSI fueron significativamente más altas que las del grupo de activación (P < 0,05; Figura 1D). Sin embargo, la tasa de natalidad del grupo ROSI fue menor que la del grupo ICSI, independientemente de si los ovocitos se activaron antes o después de la inyección (P < 0,05; Figura 1D). Es importante destacar que la tasa de natalidad del grupo A-ROSI fue ligeramente superior a la del grupo ROSI-A (Figura 1D). En la Tabla 1 se presentan más detalles sobre los datos de desarrollo embrionario.
Figura 1: Los embriones ROSI mostraron una eficiencia de desarrollo reducida en comparación con los embriones ICSI. (A) Ilustración esquemática del protocolo experimental que evalúa el efecto de la activación en el desarrollo embrionario ICSI. Azul = Los ovocitos no estaban activados; Amarillo = Los ovocitos estaban activados. (B) Eficiencia en el desarrollo de embriones derivados de A-ICSI e ICSI. (C) Ilustración esquemática del protocolo experimental para la generación de diferentes tipos de embriones. (D) Eficiencia en el desarrollo de embriones derivados de A-ROSI, ROSI-A, A e ICSI. **, P < 0,01. Abreviaturas: A= Activación E= Día embrionario; ROSI= Inyección redonda de espermatida; ICSI= Inyección intracitoplasmática de espermatozoides. Las barras de error muestran la desviación estándar. La comparación de tasas se realiza mediante la prueba de chi-cuadrado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Las espermátidas redondas se seleccionaron mediante clasificación por citometría de flujo. (A) Se utilizó un diagrama de clasificación por citometría de flujo para la selección de espermátidas redondas. (B) Imágenes representativas que muestren la selección de espermátidas redondas. Barra de escala: 10 μm. Abreviaturas: FSC = Dispersión directa; SSC = dispersión lateral; 355 es la longitud de onda de excitación; 460/50 y 670/30 son dos canales de detección bajo láser de 355 longitudes de onda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Grupos | Desarrollo preimplantacional | Desarrollo post-implantación | |||
Replica | Tasa de escisión (%) | Tasa de blastocisto (%) | Embriones de 2 células transferidos/ No. de los destinatarios | Tasa de natalidad (%) | |
A-ICSI | 5 | 99.33 (149/150) | 75.17 (112/149) | 49/5 | 48.98 (24/49) |
A-ROSI | 5 | 99.33 (149/150) | 73.83 (110/149) | 44/5 | 18.18 (8/44) ** |
ROSI-A | 5 | 98.00 (147/150) | 64.63 (95/147) | 45/5 | 13.33 (6/45) ** |
Activación | 5 | 100.00 (150/150) | 12.00 (18/150) ** | 51/5 | 0.00 (0/51) ** |
ICSI | 5 | 98.00 (147/150) | 73.47 (108/147) | 46/5 | 52.17 (24/46) |
Tabla 1. La eficiencia del desarrollo de embriones derivados de diferentes grupos.
Tabla complementaria 1. Proporción de diferentes poblaciones celulares ordenadas por citometría de flujo. La parte P3 son espermátidas redondas. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Activación asistida de ovocitos
Un requisito previo crítico para ROSI es AOA, ya que las espermátidas redondas por sí solas no pueden iniciar la activación de los ovocitos. En la actualidad, el método más establecido en ratones implica el uso de cloruro de estroncio23,24, mientras que la aplicación humana más avanzada emplea la activación eléctrica13,14. El momento de la activación de los ovocitos también es de gran importancia. Como se ha reportado en la literatura, el enfoque de activación más óptimo en ratones implica activar inicialmente el ovocito y luego inyectar la espermatida redonda25. Esto contrasta con el proceso de fecundación convencional, en el que los espermatozoides entran inicialmente en los ovocitos, liberando posteriormente fosfolipasa C ζ activar el ovocito26. La investigación especializada llevada a cabo por Satoshi Kishigami y sus colegas enfatiza la capacidad diferencial de ROSI para formar un núcleo masculino en ovocitos pre o post-activados. Para lograr una tasa de producción eficiente de descendencia, ambos tipos de inyección deben realizarse antes de que los ovocitos entren en la fase G125.
El diámetro de la aguja de inyección
En el contexto de ROSI, es importante tener en cuenta que un diámetro mayor de la aguja de inyección no se traduce necesariamente en mejores resultados. La aguja de inyección utilizada tiene un diámetro de 6-7 μm, ligeramente más pequeño que una espermátida redonda. Por lo tanto, cuando se aspira una espermatida redonda, la membrana celular se somete a un efecto de compresión, lo que puede conducir a la exposición directa del núcleo. Esta exposición directa puede ser propicia para la despolimerización y la posterior formación del pronúcleo masculino27.
Tratamiento de sellado
Los ovocitos de ratón exhiben menos viscosidad citoplasmática en comparación con otras especies. Incluso una pequeña brecha en la membrana celular puede hacer que el citoplasma fluya fácilmente, lo que resulta en la degeneración de los ovocitos28. Para mitigar el riesgo, después de inyectar la espermatida redonda en el citoplasma del ovocito y retirar la aguja de inyección, es imperativo aspirar una pequeña porción de la membrana celular cerca de la abertura de la membrana celular del ovocito para sellar el espacio, similar al procedimiento en ICSI21. Este proceso de sellado reduce significativamente el riesgo de degeneración de los ovocitos.
Aplicación de ROSI como modelo
Más allá de las aplicaciones clínicas, la tecnología ROSI tiene como modelo otras aplicaciones. Puede acelerar la generación de ratones29 veces, rescatar la letalidad femenina resultante de una deleción de Xist heredada por el padre en ratones17, generar ratones después de la inyección redonda de espermatida en blastómeros partenogenéticos haploide de dos células15, generar descendencia de ratones transgénicos16 y preservar la fertilidad en niños adolescentes antes del tratamiento contra el cáncer30,31. La investigación diligente sobre el ROSI del ratón puede contribuir sustancialmente a los avances en la investigación de la salud reproductiva.
Limitaciones del artículo
Este artículo sirve como una guía metodológica con varias limitaciones, incluyendo la ausencia de una selección comparativa directa de RS bajo un microscopio para inyección y una falta de innovación percibida.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses financieros o de otro tipo.
Extendemos nuestro agradecimiento a Wenjie Zhao por su inestimable ayuda en la clasificación de espermátidas redondas a través de la citometría de flujo y a Fang Wang por su experiencia en la transferencia de embriones de ratón. Este trabajo recibió apoyo parcial de la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Jilin (No. YDZJ202301ZYTS461). Agradecemos a Bullet Edits Limited por la edición lingüística y la revisión del manuscrito.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CaCl22H2O | Sigma | C7902 | Preparation of CZB |
Glucose | Sigma | G6152 | Preparation of CZB |
HEPES-Na (basic) | Sigma | H3784 | Preparation of CZB |
Hoechst 33342 | Beyotime | C1025 | FACS |
human chorionic gonadotropin (HCG) | Ningbo Second Hormone Company | HCG | Ovulation promoting drugs |
Hyaluronidase | Sigma | H3506 | Removing granulosa cells around the oocyte |
KCl | Sigma | P5405 | Preparation of CZB |
KH2PO4 | Sigma | P5655 | Preparation of CZB |
KSOMaa | Caisson Labs | IVL04-100ML | Potassium simplex optimized medium supplemented with amino acids |
L-glutamine | Sigma | G8540 | Preparation of CZB |
M2 | Sigma | M7167-50ML | Operating fluid |
MgSO47H2O | Sigma | M1880 | Preparation of CZB |
Na2-EDTA2H2O | Sigma | E5134 | Preparation of CZB |
NaCl | Sigma | S5886 | Preparation of CZB |
NaHCO3 | Sigma | S5761 | Preparation of CZB |
Na-lactate 60% syrup d = 1.32 g/L | Sigma | L7900 | Preparation of CZB |
Na-pyruvate | Sigma | P4562 | Preparation of CZB |
Piezo drill tips (ICSI) | Eppendorf | piezoXpert | Piezoelectric membrane rupture |
pregnant mare serum gonadotropin (PMSG) | Ningbo Second Hormone Company | PMSG | Ovulation promoting drugs |
PVA | Sigma | P8136 | Preparation of CZB |
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