Interazioni molecolari tra cellule del cumulo e ovocita Zona pellucida Composta da 4 glicoproteine prodotte esclusivamente dall’ oocita in via di crescita: - ZP2 e ZP3 si assemblano in lunghi filamenti - ZP1 collega i filamenti in una rete tridimensionale. Presenta pori formati da microfilamenti che le conferiscono un aspetto spugnoso e consentendo l'attacco dello spermatozoo all'ovocita. La zona induce lo spermatozoo a subire la reazione acrosomiale Matrice glicoproteica che circonda l'ovocita Barriera protettiva e selettiva alla fecondazione tra le specie Media gli scambi metabolici tra ovocita con il microambiente circostante Oolemma Membrana specializzata con microvilli che, al momento della fecondazione, mediano il contatto iniziale e la fusione dello spermatozoo Spazio perivitellino Racchiude il primo globulo polare di 8-10 μm che presenta una superficie ricca di microvilli, un citoplasma in cui sono visibili cromosomi, microtubuli e granuli corticali Tubuli (SER) e vescicole (V) del reticolo endoplasmatico liscio sono associati con i mitocondri (M) per formare aggregati M-SER e complessi MV. Ruolo nei meccanismi di stoccaggio e rilascio di Ca2+ Ooplasma Caratterizzato da mitocondri, che possono essere sferici o di forma ovale e che contengono una matrice densa e creste nella parte esterna. Il contenuto dei GC viene rilasciato nello spazio perivitellino (REAZIONE CORTICALE) al momento della fecondazione e a ciò segue la compattazione e l'indurimento della parte interna della zona pellucida (REAZIONE DELLA ZONA) per evitare la polispermia Ooplasma Presenza di granuli corticali contenenti mucopolisaccaridi, proteasi, fosfatasi acida e perossidasi. L'ovocita MII è privo di membrana nucleare. I 23 cromosomi sono localizzati sulla piastra equatoriale del fuso meiotico. Il fuso meiotico è formato da microtubuli che si estendono da un polo all' altro, è anastrale, privo di centrioli e ha una forma a barile. Complesso cumulo ooforo-ovocita (COC) Le cellule del cumulo si associano con l'ovocita a formare una matrice extracellulare visco-elastica estesa che appare come una struttura unica. Tale matrice COC è ricco di acido ialuronico (HA). HA è la spina dorsale strutturale di questa matrice, che viene ulteriormente stabilizzata da una complessa rete di proteine leganti, tra cui TSG-6 , inibitore della tripsina α e PTX3. Cellule del cumulo ooforo (CC) Foto a microscopio elettronico a scansione (SEM) di un complesso cumulo-ovocita canino. (a) Le cellule del cumulo sono tonde e disposte regolarmente intorno all'ovocita (scala grafica: 17μm). (b) Le cellule del cumulo sono collegate tra di loro mediante brevi prolungamenti (scala grafica: 3,4μm). (c) In prossimità della zona pellucida le cellule del cumulo presentano un unico prolungamento che raggiunge il poro della zona pellucida (scala grafica: 2μm). (d) La zona pellucida presenta numerosi pori che si restringono verso il centro (scala grafica: 2μm) . Cellule del cumulo ooforo Alto tasso di proliferazione cellulare Livelli di espressione di AMH più alti Capacità steroidea inferiore Livelli di espressione di LHR inferiore Capacità di secernere acido ialuronico per l'espansione COC Cumulo Compatto: le cellule strettamente collegate che circondano l'ovocita come una superficie unica Espansione Cumulo Ooforo Poco prima dell'ovulazione si assiste a un'espansione del cumulo ooforo dovuta a secrezione, in seguito al picco di LH, da parte delle cellule che lo costituiscono di matrice amorfa contenente alti livelli di acido ialuronico, un glicosamminoglicano non solforato con proprietà adesive, che seppure allontanando le cellule del cumulo le mantiene adese tra loro. Alcune delle cellule del cumulo ooforo accompagnano l'ovocita quando esso è rilasciato nell'antro e anche quando esso è ovulato. Le ialuronidasi rilasciate dallo spermatozoo degradano la matrice di acido ialuronico permettendo allo spermatozoo di superare il cumulo ooforo. Cumulo Espanso: cellule staccate dal ovocita con matrice visibile tra cellule del cumulo Interazioni cellule del cumulo e ovocita L'ovocita e le cellule somatiche dipendono strutturalmente e metabolicamente le une dalle altre, e l'instaurarsi di questa relazione è indispensabile per il corretto sviluppo ed il benessere del futuro embrione. Perché è importante questa comunicazione bidirezionale? 1. Maturazione ovocitaria 2. Ripresa da parte dell'ovocita della fase meiotica 3. Ovulazione Interazioni cellule del cumulo e ovocita Tra le CC e l’ovocita esiste una stretta interdipendenza strutturale e funzionale, garantita da gap junction e fattori paracrini La comunicazione bidirezionale tra cellule del cumulo e ovocita è mediata dallo scambio di piccole molecole grazie a gap junction e a fattori paracrini secreti sia dall'ovocita che dalle cellule del cumulo. GAP JUNCTION FATTORI PARACRINI 1. Gap junction Giunzioni intercellulari che consentono lo scambio diretto di piccoli metaboliti, molecole di segnale e ioni tra le CC e l’ovocita. Questi scambi sono essenziali alla crescita dell'ovocita sia perché garantiscono l'assorbimento di sostanze nutritive sia perché permettono il trasferimento di molecole importanti, come per esempio l'adenosina monofosfato ciclico (cAMP), indispensabile per la maturazione dell'ovocita. Gap junction I canali sono formati da due unità dette connessoni formati a loro volta da proteine trans-membrana chiamate connessine. 2 loops extracellulari di legame (EL1, EL2) 4 domini transmembrana (TM1-4) 1 loop citoplasmatica (CL) 1 coda C-terminale (CT) e una Nterminale (NT) citoplasmatiche Le proprietà di permeabilità dei canali gap junction dipendono da che tipo di connessina sono costituiti. Gap junction • Nei follicoli ovarici almeno due tipi di connessine contribuiscono alla formazione di gap-junction • Le estensioni delle cellule del cumulo (proiezioni trans-zonali) attraversano tutta la zona pellucida sino ad entrare in contatto con l'ovocita, a livello del quale formano gap-junction. Connessina 37 (CX37) Responsabile della connessione tra cellule del cumulo e ovocita Connessina 43 (CX43) Responsabile della connessione tra cellule del cumulo adiacenti. CX37 Mutazione a carico del gene codificante per la connessina CX37: non permette la formazione dei follicoli di Graaf si sviluppano molti corpi lutei si blocca l'accrescimento dell'ovocita prima che esso raggiunga la competenza evolutiva Coinvolgimento nel processo di acquisizione della maturità ovocitaria Non solo trasmettere metaboliti dalle cellule del cumulo necessari al ovocita, ma anche uno o più segnali dal ovocita per mantenere lo stato di differenziazione delle cellule della granulosa, impedendo loro di luteinizzante prima dell'ovulazione CX43 Influenza la capacità di sviluppo dell’ovocita • • La riduzione dell’espressione del gene cx43 nel giorno del prelievo dell’ovocita è essenziale per lo sviluppo dell’ovocita stesso ruolo post fertilizzazione. Mutazioni a carico del gene codificante CX43 inibiscono la maturazione ovocitaria e l'ovocita non è in grado di acquisire la competenza meiotica, influendo negativamente sull'esito della gravidanza e sulla fertilità femminile. Consente il rilascio di molecole di segnalazione ATP che agendo attraverso i recettori pirinergici P2 induce rilascio di Ca2+ con conseguente aumento di Ca2+ nell ‘ovocita. 2. Fattori paracrini Fattori paracrini FF-MAS FF-MAS (FF meiosis-activating sterol) è uno sterolo presente nel microambiente follicolare dell'ovocita, che si forma a partire dallo lanosterolo grazie alla lanosterolo 1,4 alfa demetilasi. Ruolo fondamentale nel promuovere la maturazione nucleare e citoplasmatica dell'ovocita e migliorare il tasso di fertilizzazione. PEPTIDI EGF-LIKE AREG (Amphiregulin) EREG (Epiregulin) BTC (Betacellulin) Stimolano l'espansione delle cellule del cumulo, la ripresa meiotica e l'ovulazione LH induce l' espressione di AREG nel follicolo preovulatorio, e AREG agisce in modo autocrino e paracrino per mediare gli effetti dell’ LH sul follicolo, compresa la ripresa della meiosi ovocitaria e l'espansione del cumulo ooforo. PEPTIDI EGF-LIKE LH ERK1/2 EREG AREG BTC EGF-R HAS2 PTX3 TNFAIP 6 Acido ialuronico COC espansione Stabilizza la matrice GDF-9 e BMP15 Regolano le funzioni delle cellule del cumulo attraverso il processo della mitosi, la proliferazione, l'apoptosi e il meccanismo di trasduzione del segnale 1. Stimolano MPF e MAPK e quindi positivamente associati con la maturazione ovocitaria e la qualità embrionale. 2. Promuovono la sopravvivenza e la proliferazione cellulare sopprimendo l'espressione di Ddit4l (inibitore di mTOR) BMP15 Un’alterata espressione di BMP-15 durante la follicologenesi può essere causa di sterilità femminile. Elevati livelli di BMP-15 nel liquido follicolare di donne sottoposte a tecniche di fecondazione in vitro è strettamente correlata con una migliore qualità ovocitaria e tassi di fertilizzazione e sviluppo embrionale maggiori BMP-15 potrebbe essere un buon indicatore della maturità dell' ovocita e del suo potenziale di fecondazione. Interazioni metaboliche tra le ovociti e CC L’ovocita pratica uno scarso metabolismo del glucosio, mentre le CC possono metabolizzare anche substrati alternativi, come amminoacidi, colesterolo ed altri, sostenendo lo sviluppo ovocitario. Grazie a microarray di DNA è stato eseguito lo screening di migliaia di geni delle CC, per identificare marcatori associati a competenza dell’ovocita * , qualità dell’embrione ed esito della gravidanza. * capacità intrinseca di andare incontro a meiosi, fecondazione e sviluppo embrionale. Confrontando l’espressione genica di CC prelevate da ovociti per i quali la IVF non è andata a buon fine con quella di CC da ovociti regolarmente sviluppatisi in embrioni (Giorno 3), si è osservata una differenza d’espressione di 160 geni! Inoltre, delineando il profilo di espressione genica delle CC, si è visto che 45 geni sono associati all’esito positivo di una gravidanza, di cui 36 up-regolati e 9 downregolati. ptx3 se up-regolato stabilizza le CC espanse ed è associato ad esito positivo di gravidanza. bcl2-l II coinvolto nell’innesco della morte cellulare in caso di anomalie, se up-regolato permette di prevedere la qualità di ovocita ed embrione. cx43 consente il passaggio di metaboliti da CC ad ovociti e il mantenimento della “quiescenza” dell’ovocita, se down-regolato influenza negativamente lo sviluppo ovocitario Apoptosi e cellule del cumulo Elevato tasso di apoptosi nelle cellule del cumulo Scarsa maturazione ovocitaria Scarso sviluppo embrionale Scarsa qualità ovocitaria Tassi bassi di fecondazione Valutazione della qualità embrionale e conseguente previsione dell'esito delle tecniche di fecondazione in vitro Pazienti poor responders trattate con r-FSH+r-LH al giorno 1 del ciclo di stimolazione ovarica con GnRH-ant mostrano un DFI inferiore valutato con tecnica TUNEL DNA non frammentato 50 45 40 35 % DFI DNA frammentato 30 r-FSH 25 r-FSH+r-LH 20 15 10 5 0 * Pazienti poor responders trattate con r-FSH+r-LH al giorno 1 del ciclo di stimolazione ovarica con GnRH-ant mostrano una modulazione dei geni BAX e BCL2 valutati con qRT-PCR Decremento del livello di espressionedi BAX e un incremento dell'espressione di BCL-2 nelle pazienti stimolate con r-FSH+r-LH. (p≤0,05) Percentuali di fertilizzazione e qualità embrionale maggiori rispetto alla sola somministrazione di FSH. In pazienti poor responders la supplementazione di LH al giorno 1 di stimolazione ovarica con GnRH-ant: ● Riduzione del tasso di apoptosi nelle cellule del cumulo ● MODULAZIONE GENICA DELL' APOPTOSI Aumento tassi di fertilizzazione dell'ovocita e numero di embrioni di grado I analizzati in 3a giornata Conclusioni Le CC, utilizzabili come mezzi non invasivi per la valutazione della qualità degli ovociti, della competenza dell’embrione ed anche per la previsione dell’esito di una gravidanza.