Роль наночастиц высокодисперсного кремнезема в реализации эффектов гранулезы на компетентность к созреванию и оплодотворению ооцитов Sus scrofa domesticus

Репродуктивные технологии являются одним из ключевых направлений в условиях необходимости сохранения и отбора выдающихся по хозяйственно полезным признакам особей сельскохозяйственных животных. Совершенствование имеющихся моделей созревания ооцитов in vitro в различных вариациях способствует решению проблемы низкого выхода эмбрионов свиней на завершающих стадиях доимплантационного развития. В настоящем исследовании с использованием технологии созревания и оплодотворения донорских ооцитов свиней in vitro предложена модель среды для культивирования гамет (NCSU-23 с 10 % гомологичной фолликулярной жидкостью, 10 МЕ ХГЧ и 10 МЕ ХГ лошади), модернизированная введением 1 · 10⁶ клеток гранулезы (КГ) на 1 мл среды и 0.001 % наночастиц высокодисперсного кремнезема (нВДК). Анализ статуса хроматина ооцитов по методу Тарковского и оценка уровня деструктивных изменений хроматина соматических клеток овариальных фолликулов (апоптоз, пикноз) выявили значительное повышение показателей ядерного созревания гамет и снижение доли клеток гранулезы с дегенерированным хроматином при применении разработанной системы культивирования. Обнаружено позитивное влияние совместного введения КГ и нВДК в систему дозревания, позволившего увеличить показатели мейотического созревания и оплодотворяемости ооцитов. Оптимальные показатели фертильности ооцитов достигнуты при сочетанном использовании в системе дозревания КГ и нВДК (доля созревших клеток достигла 89 %, уровень ооцитов с дегенерацией хромосом составил 12 %, 39 % эмбрионов достигли завершающей стадии доимплантационного развития). Положительный эффект нВДК на показатели оплодотворяемости ооцитов сопровождался резким снижением деструктивных процессов в КГ при их культивировании в присутствии нВДК. Уровень пикнозов составил 32 %, а уровень апоптозов ( TUNEL-test) – 21 % по сравнению с контролем (43 и 31 % соответственно, р < 0.01). Таким образом, выявлена высокая эффективность системы созревания ооцитов свиней в условиях совместного кокультивирования гамет с КГ и нВДК, что позволяет рекомендовать модель разработанной среды в технологии экстракорпорального созревания женских гамет Sus scrofa domesticus для повышения качества донорских яйцеклеток, используемых в клеточной и генетической инженерии.

1. Abeydeera L.R., Wang W.H., Cantley T.C., Rieke A., Day B.N. Coculture with follicular shell pieces can enhance the developmental competence of pig oocytes after in vitro fertilization: relevance to intracellular glutathione. Biol. Reprod. 1998;58(1):213-218. DOI 10.1095/biolreprod58.1.213.

2. Boytseva E.N., Bychkova N.V., Kuzmina T.I. Effects of highly dispersed silica nanoparticles on the apoptosis of Bos taurus spermatozoa. Tsitologiya = Cytology. 2017;5(59):375-380. (in Russian)

3. Bradley J., Pope I., Wang Y., Langbein W., Borri P., Swann K. Dynamic label-free imaging of lipid droplets and their link to fatty acid and pyruvate oxidation in mouse eggs. J. Cell Sci. 2019;132(13):jcs228999. DOI 10.1242/jcs.228999.

4. Canipari R. Oocyte-granulosa cell interactions. Hum. Reprod. Update. 2000;6(3):279-289. DOI 10.1093/humupd/6.3.279.

5. Egerszegi I., Alm H., Rátky J., Heleil B., Brüssow K.P., Torner H. Meiotic progression, mitochondrial features and fertilisation characteristics of porcine oocytes with different G6PDH activities. Reprod. Fertil. Dev. 2010;22(5):830-838. DOI 10.1071/RD09140.

6. Fowler K.E., Mandawala A.A., Griffin D.K., Walling G.E., Harvey S.C. The production of pig preimplantation embryos in vitro: current progress and future prospects. Reprod. Biol. 2018;18(3):203-211. DOI 10.1016/j.repbio.2018.07.001.

7. Janowski D., Salilew-Wondim D., Torner H., Tesfaye D., Ghanem N., Tomek W., El-Sayed A., Schellander K., Holker M. Incidence of apoptosis and transcript abundance in bovine follicular cells is associated with the quality of the enclosed oocyte. Theriogenology. 2012;78(3):656-669. DOI 10.1016/j.theriogenology.2012.03.012.

8. Kuzmina T.I., Alm H., Тorner H. Methods of Porcine Embryos Production in vitro. St. Petersburg; Puskin, 2008. (in Russian)

9. Kuzmina T.I., Chistyakova I.V., Tatarskaya D.N. The influence of highly dispersed silica nanoparticles on the functional activity of mitochondria and chromatin state in native and devitrified Bos taurus oocytes. Sel’skokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Вiology. 2020;55(4):784-793. DOI 10.15389/agrobiology.2020.4.784eng.

10. Kuzmina T.I., Novichkova D.A., Chistyakova I.V., Epishko O.A. Effects of highly dispersed silica nanoparticles on the chromatin in somatic cells of porcine follicles. Veterinariya = Veterinary Medicine Journal. 2017;2:43-45. (in Russian)

11. Lee J.S., Mendez R., Heng H.H., Yang Z.Q., Zhang K. Pharmacological ER stress promotes hepatic lipogenesis and lipid droplet formation. Am. J. Transl. Res. 2012;4(1):102-113.

12. Martinez E.A., Martinez C.A., Cambra J.M., Maside C., Lucas X., Vazquez J.L., Vazquez J.M., Roca J., Rodriguez-Martinez H., Gil M.A., Parrilla I., Cuello C. Achievements and future perspectives of embryo transfer technology in pigs. Reprod. Domest. Anim. 2019;54(4):4-13. DOI 10.1111/rda.13465.

13. Novichkova D.A., Kuzmina T.I. Effect of highly dispersed silica nanoparticles on the functioning of lipidome in Sus scrofa domesticus oocytes. Meditsina Ekstremal’nykh Situatsiy = Medicine of Extreme Situations. 2019;S1:30-34. (in Russian)

14. Okamoto A., Ikeda M., Kaneko A., Kishida C., Shimada M., Yamashita Y. The novel pig in vitro maturation system to improve developmental competence of oocytes derived from atretic nonvascularized follicle. Biol. Reprod. 2016;95(4):7. DOI 10.1095/biolreprod.116.138982.

15. Okazaki T., Nishibori M., Yamashita Y., Shimada М. LH reduces proliferative activity of cumulus cells and accelerates GVBD of porcine oocytes. Mol. Cell. Endocrinol. 2003;209:43-50. DOI 10.1016/j.mce.2003.08.002.

16. Remião M.H., Segatto N.V., Pohlmann A., Guterres S.S., Seixas F.K., Collares T. The potential of nanotechnology in medically assisted reproduction. Front. Pharmacol. 2018;8:994. DOI 10.3389/fphar.2017.00994.

17. Romar R., Canovas S., Matas C., Gadea J., Coy P. Pig in vitro fertilization: where are we and where do we go? Theriogenology. 2019;137:113-121. DOI 10.1016/j.theriogenology.2019.05.045.

18. Roy P.K., Qamar A.Y., Fang X., Kim G., Bang S., Zoysa M., Shin S.T., Cho J. Chitosan nanoparticles enhance developmental competence of in vitro-matured porcine oocytes. Reprod. Domest. Anim. 2020;56(2):342-350. DOI 10.1111/rda.13871.

19. Savchenko D.S. Studyng of antioxidatic properties of nanocomposite of highly dispersive silicon dioxide with silver nanoparticles. Meditsina i Obrazovanie v Sibiri = Medicine and Education in Siberia. 2013;6:23-30. (in Russian)

20. Soriano-Úbeda C., García-Vazquez F.A., Romero-Aguirregomezcorta J., Matas C. Improving porcine in vitro fertilization output by simulating the oviductal environment. Sci. Rep. 2017;7:43616. DOI 10.1038/srep43616.

21. Wei J.H., Yuan X.Y., Zhang J.M., Wei J.Q. Caspase activity and oxidative stress of granulosa cells are associated with the viability and developmental potential of vitrified immature oocytes. Eur. J. Obstet. Gynecol. Reprod. Biol. 2016;198:22-26. DOI 10.1016/j.ejogrb.2015.12.010.

22. Zhang X., Zhang K. Endoplasmic reticulum stress-associated lipid droplet formation and type II diabetes. Biochem. Res. Int. 2012;2012:247275. DOI 10.1155/2012/247275.

23. Zyuzyn A.B., Shcherbak О.V., Osypchuk O.S., Kovtun S.I., Dzitsyuk V.V. Using of nanomaterials in embryogenetic system for receiving pig’s embryos in vitro. Faktory Eksperimentalnoi Evolutsii Organizmov = Factors in Experimental Evolution of Organisms. 2015;17:164-168. (in Ukrainian)