Ωρίμανση ωοκυττάρων in vitro: μετφορμίνη

Abstract

Metformin (1,1-dimethylbiguanide hydrochloride) is widely used in the treatment of diabetes mellitus type 2 and in polycystic ovary syndrome. The exact mechanism of action of metformin is uncertain. Its glucose- and insulin-lowering effects are mediated, at least in part, by activation of AMPK through activation of the upstream kinase liver kinase B1 (LKB1). AMPK is a key regulatory enzyme well characterized in many tissues, including the liver, muscle, lung, heart, kidney, brain and ovary. AMPK acts as a cellular energy sensor, responding to increases in the AMP/ATP ratio. Studies on bovine oocytes have revealed that activation of adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) by mM concentrations of metformin controls nuclear maturation. Tuberous sclerosis complex 2 (TSC2) has been identified as a downstream target of AMPK. The objective of this study was to investigate the effects of low concentrations of metformin (1nM-10μΜ) on the percentage of cultured cumulus-oocyte complexes (COC) giving embryos, embryo cleavage rate and AMPK-mediated TSC2 activation. Metformin was supplemented throughout in vitro embryo production (IVP) or during in vitro fertilization (IVF) alone. COC were matured in vitro, inseminated, and presumptive zygotes cultured further -72h post-insemination- before the percentage of COC giving embryos and embryo cleavage rate (as indicated by the cell-stage of embryos at that time) were assessed. The presence of TSC2 in bovine embryos and its possible AMPK-induced activation were assessed immunocytochemically. Metformin had a dose-dependent effect on the cleavage rate of embryos. Drug treatment throughout IVP or during IVF alone decreased the percentage of ≥8-cell embryos produced 72 hours post-insemination and increased that of 2-cell embryos, in a statistical significant manner. The percentage of cultured COC giving embryos was not affected by metformin. TSC2 is expressed in early embryos. Metformin (10μΜ) increased AMPK-induced PhosphoS1387-TSC2-immunoreactivity when added during IVF and throughout all IVP stages and this increase corresponded to the total TSC2 protein levels expressed in the cells. We report here for the first time that: (1) there is a dose-dependent negative effect of metformin on the cleavage rate of bovine embryos, (2) TSC2 is expressed in bovine embryos and (3) is possibly the mediator of metformin effect.

Η μετφορμίνη, ένα παράγωγο της διγουανίδης, χρησιμοποιείται ως θεραπεία του σακχαρώδη διαβήτη τύπου 2 και στη θεραπεία του PCOS. Οι κύριες δράσεις της μετφορμίνης είναι η αναστολή της παραγωγής γλυκόζης από το ήπαρ και η μείωση της αντίστασης στην ινσουλίνη από περιφερικούς ιστούς, οδηγώντας σε αυξημένη πρόσληψη και χρήση της γλυκόζης από τους σκελετικούς μυς. Ο κύριος διαμεσολαβητής της δράσης της μετφορμίνης είναι η AMPK [AMP-activated protein kinase: πρωτεϊνική κινάση που ενεργοποιείται από την AMP (μονοφωσφορική αδενοσίνη)]. Η AMPK είναι ο κεντρικός αισθητήρας των επιπέδων ενέργειας στο κύτταρο, ο οποίος ανταποκρίνεται στην αύξηση του λόγου AMP/ATP (adenosine monophosphate/adenosine triphosphate: μονοφωσφορική/τριφωσφορική αδενοσίνη). Μελέτες σε ωοκύτταρα βοοειδών έχουν δείξει ότι η ενεργοποίηση της AMPK από τη μετφορμίνη σε υψηλές συγκεντρώσεις της τάξεως των mM ελέγχει την πυρηνική ωρίμανση. Το TSC2 (tuberous sclerosis complex 2: σύμπλεγμα οζώδους σκλήρυνσης 2) έχει αναγνωριστεί ως ο κατωφερής στόχος της AMPK. Σκοπός της παρούσης μελέτης ήταν η διερεύνηση της επίδρασης χαμηλών συγκεντρώσεων μετφορμίνης (1nM-10μΜ) (i) στη δημιουργία εμβρύων βοοειδών από συμπλέγματα ωοκυττάρου-ωοφόρου δίσκου, (ii) το ρυθμό διαίρεσης των εμβρύων και, (iii) την πιθανή ενεργοποίηση του TSC2 μέσω της AMPK. Τα συμπλέγματα ωοκυττάρου-ωοφόρου δίσκου ωρίμαζαν in vitro, γονιμοποιούνταν με αναβιωμένα σπερματοζωάρια ταύρου και τα ζυγωτά καλλιεργούνταν συνολικά για 72 ώρες μετά τη σπερματέγχυση. Η μετφορμίνη χορηγήθηκε σε όλα τα στάδια της παραγωγής των εμβρύων ή μόνο κατά το στάδιο της γονιμοποίησης. Προκειμένου να διερευνηθεί η παρουσία της TSC2 κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξης των εμβρύων και η πιθανή ενεργοποίηση του μορίου αυτού μέσω της AMPK πραγματοποιήθηκαν πειράματα ανοσοφθορισμού. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα μας, η χορήγηση της μετφορμίνης είχε δοσο-εξαρτώμενη επίδραση στο ρυθμό διαίρεσης των εμβρύων. Συγκεκριμένα, παρουσία μετφορμίνης σε όλα τα στάδια της in vitro παραγωγής εμβρύων σε συγκέντρωση 1μΜ και 10μΜ ή μόνο στο στάδιο της in vitro γονιμοποίησης σε συγκέντρωση 0,1μΜ και 10μΜ, το ποσοστό των εμβρύων που έφτασαν στο στάδιο των ≥8-κυττάρων παρουσίασε στατιστικώς σημαντική μείωση, σε σχέση με αυτό της ομάδας ελέγχου. Η μείωση αυτή στο ποσοστό των εμβρύων ≥8-κυττάρων συνοδεύτηκε από αύξηση του ποσοστού των εμβρύων 2-κυττάρων. Η μετφορμίνη δεν είχε καμία επίδραση στο ποσοστό των ωοκυττάρων που εξελίχθηκαν σε έμβρυα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα μας, το TSC2 εκφράζεται κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξης των εμβρύων βοοειδών. Επιπλέον διαπιστώθηκε ότι, η χορήγηση 10μΜ μετφορμίνης είτε σε όλα τα στάδια της in vitro παραγωγής εμβρύων ή μόνο κατά το στάδιο της in vitro γονιμοποίησης είχε ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του TSC2 μέσω της AMPK. Συγκεκριμένα διαπιστώθηκε ότι, τα επίπεδα του φωσφορυλιωμένου TSC2, μετά τη χορήγηση μετφορμίνης, αντιστοιχούν στην ολική ποσότητα TSC2 πρωτεΐνης στα κύτταρα γεγονός που προκύπτει τόσο από την αύξηση της PhosphoS1387-TSC2-ανοσοδραστικότητας όσο και από την αύξηση του λόγου PhosphoS1387-TSC2 : ολική TSC2 η οποία παρατηρήθηκε. Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής υποδεικνύουν για πρώτη φορά ότι, η μετφορμίνη δεν έχει καμία επίδραση στο ποσοστό των ωοκυττάρων που εξελίσσονται σε έμβρυα και κατά συνέπεια δεν επηρεάζει την ωρίμανση των ωοκυττάρων όταν χορηγείται σε συγκεντρώσεις της τάξεως των μM. Εντούτοις, η μετφορμίνη σε αυτές τις συγκεντρώσεις έχει αρνητική δοσο-εξαρτώμενη επίδραση στο ρυθμό διαίρεσης των εμβρύων βοοειδών. Η δράση αυτή της μετφορμίνης στο ρυθμό διαίρεσης των εμβρύων είναι η ίδια είτε το φάρμακο χορηγείται καθ' όλη τη διάρκεια της in vitro παραγωγής των εμβρύων είτε μόνο κατά το στάδιο της in vitro γονιμοποίησης. Επιπλέον, δεδομένου ότι η μετφορμίνη είναι ενεργοποιητής της ΑΜΡΚ, τα αποτελέσματα μας σηματοδοτούν τη σπουδαιότητα της ρύθμισης της δραστηριότητας της ΑΜΡΚ κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξης των εμβρύων και δείχνουν ότι κάθε μεταβολή των επιπέδων δραστηριότητας του ενζύμου αυτού μπορεί να έχει αρνητική επίδραση στην ανάπτυξη των εμβρύων. Τέλος, από τα αποτελέσματα μας μπορεί να συναχθεί ότι το μοριακό μονοπάτι το οποίο εμπλέκεται στη μείωση του ρυθμού διαίρεσης των εμβρύων από τη μετφορμίνη περιλαμβάνει την ενεργοποίηση του TSC2 από την ΑΜΡΚ.