Para que se produzca la fecundación entre un espermatozoide y un óvulo , el espermatozoide debe primero fusionarse con la membrana plasmática y luego penetrar en el óvulo femenino para fecundarlo. Si bien la fusión del espermatozoide con la membrana plasmática del óvulo es relativamente sencilla, penetrar las capas protectoras del óvulo, como la zona pelúcida, presenta un desafío importante. Por lo tanto, los espermatozoides pasan por un proceso conocido como reacción acrosómica , que es la reacción que ocurre en el acrosoma del espermatozoide cuando se acerca al óvulo.
El acrosoma es un orgánulo rodeado de membrana que se origina en el aparato de Golgi y que se encuentra comúnmente en la punta de la cabeza del espermatozoide maduro. Contiene una variedad de enzimas y antígenos necesarios para la fertilización. En el pasado se lo llamaba "cuerpo apical" debido a su ubicación, o "perforatorio" porque se suponía que podría ayudar al espermatozoide a perforar el óvulo. [1]
A medida que el espermatozoide se acerca a la zona pelúcida del óvulo, necesaria para iniciar la reacción del acrosoma, la membrana que rodea el acrosoma se fusiona con la membrana plasmática de la cabeza del espermatozoide, exponiendo el contenido del acrosoma. El contenido incluye antígenos de superficie necesarios para unirse a la membrana celular del óvulo y numerosas enzimas que son responsables de atravesar la dura capa del óvulo y permitir que se produzca la fertilización. [2]
Existen variaciones considerables entre especies en cuanto a la morfología y las consecuencias de la reacción acrosómica. En varias especies, el desencadenante de la reacción acrosómica se ha identificado en una capa que rodea el huevo.
En algunas especies animales inferiores, se forma una protuberancia (el proceso acrosómico) en el ápice de la cabeza del espermatozoide, sostenida por un núcleo de microfilamentos de actina. La membrana en la punta del proceso acrosómico se fusiona con la membrana plasmática del óvulo.
En algunos equinodermos, incluidas las estrellas de mar y los erizos de mar , una parte significativa del contenido acrosómico expuesto contiene una proteína que retiene temporalmente el esperma en la superficie del óvulo.
En los mamíferos, la reacción acrosómica libera hialuronidasa y acrosina ; su papel en la fertilización aún no está claro. La reacción acrosómica se inicia cuando el espermatozoide entra en contacto con la zona pelúcida del ovocito . Al entrar en contacto con la zona pelúcida, las enzimas acrosómicas comienzan a disolverse y el filamento de actina entra en contacto con la zona pelúcida. Una vez que los dos se encuentran, se produce un influjo de calcio, lo que provoca una cascada de señalización. Los gránulos corticales dentro del ovocito luego se fusionan con la membrana externa y se produce una reacción de bloqueo rápida.
Además, los gránulos corticales del interior del ovocito se fusionan con la membrana externa, lo que inicia una rápida reacción de bloqueo. Esta reacción altera una zona de la membrana plasmática preexistente del espermatozoide, lo que facilita la fusión con la membrana plasmática del óvulo.
Un ensayo de penetración de espermatozoides incluye una prueba de reacción acrosómica que evalúa el rendimiento de un espermatozoide durante el proceso de fertilización. Los espermatozoides que no pueden realizar la reacción acrosómica correctamente no podrán fecundar un óvulo. Sin embargo, este problema solo se presenta en aproximadamente el 5 % de los hombres que se realizan la prueba. Esta prueba es bastante cara y proporciona información limitada sobre la fertilidad de un hombre. [3]
En otros casos, como en el ratón de campo Apodemus sylvaticus , se ha descubierto que las reacciones acrosómicas prematuras provocan un aumento de la motilidad en los agregados de espermatozoides, lo que promueve la fertilización. [4]
La reacción acrosómica ocurre típicamente en la ampolla de la trompa de Falopio , el sitio de la fertilización, cuando el espermatozoide penetra en el ovocito secundario. Los eventos previos preparan la reacción acrosómica. El espermatozoide sufre una serie de cambios, incluyendo la adquisición de un "patrón de motilidad hiperactiva" donde su flagelo produce movimientos vigorosos similares a un látigo que impulsan al espermatozoide a través del canal cervical y la cavidad uterina hasta que llega al istmo de la trompa de Falopio. Varios mecanismos, incluyendo la quimiotaxis, ayudan al espermatozoide a acercarse al óvulo en la ampolla de la trompa de Falopio. Una vez en proximidad, las glicoproteínas en la superficie externa del espermatozoide se unen con las glicoproteínas en la zona pelúcida del óvulo.
Los espermatozoides que no logran iniciar la reacción acrosómica antes de llegar a la zona pelúcida no pueden penetrarla. Como la reacción acrosómica ya se ha producido, los espermatozoides pueden penetrar la zona pelúcida gracias a la acción mecánica de la cola, no a causa de la reacción acrosómica en sí. [5]
La primera etapa es la penetración de la corona radiata, mediante la liberación de hialuronidasa desde el acrosoma para digerir las células del cúmulo que rodean al ovocito y exponer la acrosina adherida a la membrana interna del espermatozoide. Las células del cúmulo están incrustadas en una sustancia gelatinosa compuesta principalmente de ácido hialurónico , y se desarrollan en el ovario con el óvulo y lo sostienen a medida que crece. La reacción del acrosoma debe ocurrir antes de que el espermatozoide alcance la zona pelúcida. [5]
La acrosina, una vez expuesta, digiere la zona pelúcida y la membrana del ovocito, lo que permite que se produzca la penetración. Luego, parte de la membrana celular del espermatozoide se fusiona con la membrana del óvulo y el contenido de la cabeza se hunde en el óvulo. En el ratón, se ha demostrado que la ZP3, una de las proteínas que componen la zona pelúcida, se une a una molécula asociada (a los receptores de β1,4-galactosil transferasa) en el espermatozoide. Este mecanismo de tipo cerradura y llave es específico de la especie y evita que el espermatozoide y el óvulo de diferentes especies se fusionen. La zona pelúcida también libera gránulos de Ca para evitar que otros espermatozoides se unan. Existe cierta evidencia de que esta unión es lo que desencadena que el acrosoma libere las enzimas que permiten que el espermatozoide se fusione con el óvulo. Es probable que ocurra un mecanismo similar en otros mamíferos, pero la diversidad de proteínas de la zona en las distintas especies significa que la proteína y el receptor relevantes pueden diferir.
Evidencias científicas más recientes demuestran que la reacción acrosómica es necesaria para exponer una proteína llamada IZUMO1 en el espermatozoide: sin la reacción, el espermatozoide aún puede penetrar a través de la zona pelúcida hasta la membrana del óvulo, pero no puede fusionarse. [6] Como se ha visto en estudios con ratones, IZUMO1 se une a la proteína JUNO del ovocito y una vez unidos, el espermatozoide y el óvulo se fusionan para formar dos pronúcleos. [7] [8] Estos pronúcleos suministran al cigoto el material genético necesario para la formación de un embrión. Además, una vez que se completa la fusión del espermatozoide y el ovocito, el espermatozoide libera fosfolipasa C zeta.
Después de la penetración y la fusión, si todo ocurre normalmente, se produce el proceso de activación del óvulo facilitado por proteínas como la fosfolipasa C zeta, y se dice que el ovocito se ha activado . Se cree que esto es inducido por una proteína específica, la fosfolipasa C zeta. Experimenta su división meiótica secundaria, y los dos núcleos haploides (paterno y materno) se fusionan para formar un cigoto . Para evitar la polispermia y minimizar la posibilidad de producir un cigoto triploide , varios cambios en las membranas celulares del óvulo las vuelven impenetrables poco después de que el primer espermatozoide ingrese al óvulo (como la rápida pérdida de JUNO). [8]
Los espermatozoides pueden iniciar la reacción acrosómica mucho antes de llegar a la zona pelúcida, así como in vitro en un medio de cultivo adecuado. Esto se conoce como reacción acrosómica espontánea (RAE).
Ahora se sabe que, en cierto sentido, este fenómeno es fisiológicamente normal en todas las especies de mamíferos. La reacción del acrosoma es inducida por el paso a través de las células del cúmulo oóforo , mediada por las hormonas que secretan (como progesterona , LPA , LPC ). [6] [9] [10]
Sin embargo, el papel fisiológico de la reacción acrosómica verdaderamente espontánea, que ocurre mucho antes de este punto en el tracto reproductor femenino, o in vitro , es un fenómeno separado.
En ratones, se ha establecido claramente que es fisiológicamente normal y común. Los espermatozoides de ratón que han experimentado una reacción acrosomal totalmente espontánea aún pueden fecundar óvulos. [6] Además, la tasa de reacción acrosomal espontánea es mayor en especies más promiscuas, como Apodemus sylvaticus , que se enfrentan a un alto nivel de competencia espermática. [11]
En los seres humanos, por otra parte, sigue siendo discutido dónde exactamente se inicia la reacción del acrosoma en la fertilización fisiológica, debido a limitaciones experimentales (por ejemplo, los estudios en animales pueden hacer uso de ratones transgénicos con espermatozoides fluorescentes, mientras que los estudios en humanos no pueden). [10]
Se han realizado estudios con la intención de vincular la tasa de SAR in vitro en el esperma humano con la calidad del esperma y la tasa de fertilización, pero a partir de 2018, los resultados generales han sido mixtos y no parecen ser clínicamente informativos. [12]
Cuando se utiliza la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) para la FIV , la tasa de implantación es mayor en los ovocitos inyectados con espermatozoides que han experimentado una reacción acrosómica (~40%) en comparación con los inyectados con espermatozoides que no han reaccionado (~10%). La tasa de implantación es de ~25% cuando se inyectan tanto espermatozoides reaccionados como no reaccionados. La tasa de parto por ciclo sigue la misma tendencia. [13]
La reacción del acrosoma puede ser estimulada in vitro por sustancias que un espermatozoide puede encontrar de forma natural, como la progesterona o el líquido folicular , así como el ionóforo de calcio A23187 , más comúnmente utilizado .
La microscopía de birrefringencia , [13] la citometría de flujo [14] o la microscopía de fluorescencia se pueden utilizar para evaluar el desprendimiento del acrosoma o la "reacción del acrosoma" de una muestra de esperma. La citometría de flujo y la microscopía de fluorescencia se realizan generalmente después de la tinción con una lectina fluoresceinada como FITC-PNA, FITC-PSA, FITC-ConA o un anticuerpo fluoresceinado como FITC-CD46. [15] Los anticuerpos/lectinas tienen una alta especificidad para diferentes partes de la región acrosómica y solo se unirán a un sitio específico (contenido acrosómico/membrana interna/externa). Si se unen a una molécula fluorescente, se pueden visualizar las regiones donde se han unido estas sondas. Los espermatozoides con reacciones acrosómicas inducidas artificialmente pueden servir como controles positivos.
Para la microscopía de fluorescencia, se realiza un frotis de células espermáticas lavadas, se seca al aire, se permeabiliza y luego se tiñe. Luego, se observa dicho portaobjetos bajo la luz de una longitud de onda que hará que la sonda emita fluorescencia si está unida a la región acrosómica. Se consideran al menos 200 células de manera arbitraria y se clasifican como acrosoma intacto (fluorescente verde brillante) o acrosoma reaccionado (sin sonda presente o solo en la región ecuatorial). Luego, se expresa como un porcentaje de las células contadas.
Para la evaluación con citometría de flujo, las células lavadas se incuban con la sonda elegida, posiblemente se pasan de nuevo y luego se toman muestras en un citómetro de flujo. Después de clasificar la población celular según la dispersión frontal y lateral, se pueden analizar los datos resultantes (por ejemplo, comparar las fluorescencias medias). Con esta técnica, también se podría incluir una sonda de viabilidad como el yoduro de propidio (PI) para excluir las células muertas de la evaluación del acrosoma, ya que muchos espermatozoides perderán espontáneamente su acrosoma cuando mueren.