Quá trình đông lạnh và rã đông tinh trùng: sự tổn thương của tinh trùng trong từng giai đoạn và chất lượng của tinh trùng sau đông lạnh

Tin chuyên ngành

on Monday 26-05-2025 10:02pm

Viết bởi: ngoc

Danh mục: Vô sinh & hỗ trợ sinh sản

ThS. Nguyễn Thị Ngọc Huệ - IVFMD Bình Dương

Giới thiệu

Đông lạnh tinh trùng là một kỹ thuật phổ biến trong hỗ trợ sinh sản, thường được chỉ định cho bệnh nhân có rất ít tinh trùng trong tinh dịch, bệnh nhân không có tinh trùng trong tinh dịch phải can thiệp phẫu thuật thu nhận tinh trùng từ mào tinh hoặc tinh hoàn nhằm lưu trữ hoặc dự phòng cho việc điều trị thụ tinh trong ống nghiệm. Chỉ định đông lạnh tinh trùng còn phù hợp cho nhóm bệnh nhân muốn bảo tồn khả năng sinh sản trước khi điều trị bệnh lý, đặc biệt là điều trị ung thư. Ngoài ra, việc đông lạnh tinh trùng cũng có thể được chỉ định cho bệnh nhân nam vắng mặt trong ngày chọc hút noãn của người vợ hoặc bệnh nhân khó lấy mẫu tinh trùng [1].
Tương tự như quy trình đông lạnh các tế bào khác, thách thức lớn nhất của đông lạnh tinh trùng là sự hình thành tinh thể đá, điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng tinh trùng sau quá trình đông lạnh và rã đông. Bài viết nhằm trình bày về tổn thương của tinh trùng xảy ra trong từng giai đoạn đông lạnh, rã đông và tác động của chúng đến chất lượng tinh trùng sau rã.

Tổn thương của tinh trùng trong quá trình đông lạnh và rã đông
1. Tổn thương của tinh trùng trong quá trình đông lạnh

Quá trình đông lạnh khiến tế bào bị căng thẳng do sự mất cân bằng thẩm thấu, chủ yếu là kết quả của sự hình thành tinh thể đá ngoại bào. Khi hình thành tinh thể đá ngoại bào, nồng độ chất tan bên ngoài tế bào tăng lên, nước từ tế bào chất sẽ khuếch tán ra khỏi tinh trùng gây ra sự mất nước ở tế bào. Sự mất nước của tế bào trong quá trình đông lạnh là kết quả của việc vận chuyển nước ra khỏi tế bào nhằm duy trì sự cân bằng giữa nồng độ chất tan trong và ngoài tế bào. Tuy nhiên khi ở tốc độ làm lạnh nhanh, tế bào không có đủ thời gian để mất nước và kết quả là lượng nước nội bào vẫn tương đối cao dẫn đến hình thành tinh thể đá nội bào [2]. Sự kết hợp giữa sự hình thành tinh thể đá nội bào hay ngoại bào cùng với sự chênh lệch độ thẩm thấu có trong quá trình đông lạnh có thể phá vỡ tính toàn vẹn của màng tế bào và sự cân bằng nội môi tế bào [2]. Giả thuyết hai yếu tố do Peter Mazur đề xuất được giải thích như sau:
Yếu tố 1: Trong quá trình đông lạnh, sự hình thành tinh thể đá ngoại bào xảy ra trước tiên, dẫn đến sự gia tăng nồng độ chất tan bên ngoài tế bào. Nếu tốc độ đông lạnh đủ chậm, các tế bào sẽ có đủ thời gian để mất nước và nước trong tế bào sẽ di chuyển ra khỏi tế bào cho đến khi cân bằng với nước ngoài tế bào. Trong trường hợp này, nồng độ chất tan nội bào tăng lên trước khi tế bào đạt đến nhiệt độ đông lạnh, tổn thương ở tế bào chủ yếu là do các chất tan có nồng độ cao trong tế bào [3].
Yếu tố 2: Nếu tốc độ đông lạnh quá nhanh, các tế bào sẽ không có đủ thời gian để loại bỏ nước trong tế bào ra bên ngoài môi trường và sự hình thành tinh thể đá xuất hiện cả bên trong và bên ngoài tế bào [3].
Việc ức chế sự hình thành tinh thể đá nội bào bằng chất bảo vệ đông lạnh chắc chắn có ích cho sự sống còn của tế bào sau rã đông. Tuy nhiên, việc tăng lượng dung dịch nội bào dẫn đến các tổn thương như biến tính protein, ly giải tế bào (màng tế bào bị vỡ), tổn thương ty thể và nhân [3]. Khi các tế bào ở gần hoặc tiếp xúc với bất kỳ tinh thể đá ngoại bào nào, các kênh aquaporin trong màng tế bào cũng bị ảnh hưởng. Các tinh thể đá nhỏ hình thành trong môi trường ngoại bào cũng tác động lên tế bào chất bằng cách xâm nhập qua các kênh aquaporin vào tế bào chất và có thể hình thành tinh thể đá nội bào [3].

2. Tổn thương của tinh trùng trong quá trình rã đông

Trong quá trình rã đông, các tinh thể đá ngoại bào sẽ tan chảy đầu tiên, làm loãng môi trường bên ngoài và nước lại xâm nhập vào tế bào. Khi lượng nước trong tế bào chất tăng lên cùng với lượng ion nội bào tăng, các tế bào bắt đầu tái tạo nước, trong quá trình này có thể xuất hiện các vết nứt trên màng tế bào. Quá trình rã đông cũng có hiện tượng các tinh thể đá nhỏ kết hợp với nhau thành các tinh thể đá lớn hơn, gây ra các tác động trên các bào quan và màng tế bào, quá trình này được gọi là kết tinh, thường bắt đầu ở nhiệt độ −40°C và trở nên mạnh mẽ ở phạm vi nhiệt độ từ −25°C đến −20°C [3].

Ảnh hưởng của quá trình đông lạnh – rã đông đến chất lượng tinh trùng

So với các loại tế bào khác, tinh trùng dường như ít nhạy cảm hơn với tổn thương trong quá trình đông lạnh do màng tinh trùng có tính lưu động cao và hàm lượng nước thấp (khoảng 50%) [4]. Mặc dù vậy, đông lạnh tinh trùng vẫn có thể gây ra những thay đổi có hại về cấu trúc và chức năng của tinh trùng. Trong suốt quá trình đông lạnh và rã đông, tinh trùng trải qua nhiều giai đoạn thay đổi bao gồm sự xuất hiện của các tinh thể đá nội bào và ngoại bào, stress oxy hoá, sốc thẩm thấu hay bị tác động từ độc tính của các chất bảo vệ đông lạnh. Những ảnh hưởng này có thể tác động đến chất lượng tinh trùng sau rã đông như ảnh hưởng đến khả năng di động, khả năng sống, hình dạng tinh trùng, tính toàn vẹn của DNA, ty thể của tinh trùng cũng như sự biểu hiện của các protein ở tinh trùng trải qua quá trình đông lạnh – rã đông [5, 6].

1. Ảnh hưởng đến tỉ lệ di động của tinh trùng

Khả năng di động của tinh trùng là một trong những thông số bị ảnh hưởng nhiều nhất trong quá trình đông lạnh và rã đông. Các nghiên cứu ước tính rằng tinh trùng mất khoảng 25-75% khả năng di động sau rã đông [6]. Nguyên nhân chính có thể đến từ tổn thương cấu trúc ty thể - nhà máy sản xuất ATP và cung cấp năng lượng cần thiết cho sự di động của tinh trùng. Ngoài ra, sự tổn thương ở cấu trúc đuôi tinh trùng do những thay đổi về độ thẩm thấu trong quá trình đông lạnh dẫn đến việc đuôi cuộn lại, hoặc có thể làm thay đổi sự phân bố cũng như hàm lượng các vi ống từ đó ảnh hưởng đến khả năng di động của tinh trùng sau rã đông [5, 6].

2. Ảnh hưởng đến khả năng sống của tinh trùng

Màng tế bào được cấu tạo từ lớp đôi phospholipid có tính thấm chọn lọc, với các thành phần bao gồm protein, lipid và sterol. Trong điều kiện bình thường, màng tế bào ở pha lỏng, tuy nhiên sự thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình đông lạnh làm độ đặc của màng bị phá vỡ, dẫn đến có thể làm xáo trộn các thành phần của màng tế bào [6]. Tương tự như khả năng di động, khả năng sống của tinh trùng cũng giảm sau khi tinh trùng trải qua quá trình đông lạnh – rã đông. Nguyên nhân thứ nhất có thể do sự hình thành tinh thể đá làm tổn thương cấu trúc màng và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của màng tế bào, từ đó làm giảm tỉ lệ sống của tinh trùng sau rã đông [4], nguyên nhân thứ hai có thể là do những thay đổi nhanh chóng về độ thẩm thấu và sự hình thành tinh thể đá nội bào làm thay đổi về thành phần cấu tạo của màng tế bào làm phá vỡ cấu trúc màng [6, 7]. Tỉ lệ sống của tinh trùng sau rã được ghi nhận giảm khoảng 50% theo công bố từ Cẩm nang xét nghiệm và hướng dẫn xử lý tinh trùng người theo Tổ chức y tế thế giới WHO [8].

3. Ảnh hưởng đến hình dạng của tinh trùng

Quá trình đông lạnh và rã đông cũng có thể gây ra những tổn thương đến hình dạng tinh trùng, điều này được giải thích là do sự trao đổi giữa tinh trùng và chất bảo vệ đông lạnh tạo ra dòng chất lỏng không kiểm soát di chuyển vào bên trong cấu trúc tinh trùng, từ đó làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào và biến đổi cấu trúc màng gây thay đổi hình dạng tinh trùng ở các tinh trùng đông lạnh [7]. Các nghiên cứu ghi nhận số lượng tinh trùng có hình dạng bình thường giảm đáng kể sau quá trình đông lạnh [9, 10]. Ngoài ra, các hình thái bất thường như tinh trùng bất thường đầu bao gồm tinh trùng đầu bất định, đầu to, đầu dài, tinh trùng bất thường phần cổ, tinh trùng bất thường đuôi như đuôi cuộn đều tăng đáng kể ở tinh trùng trải qua quá trình đông lạnh – rã đông [9].

4. Ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của DNA tinh trùng

Quá trình đông lạnh và rã đông có thể làm tăng mức độ stress oxy hoá, thay đổi các đặc tính của màng ty thể và tăng sản xuất các gốc oxy hoá tự do, từ đó dẫn đến quá trình oxy hoá DNA và tăng đứt gãy DNA ở tinh trùng trải qua quá trình đông lạnh [5, 7]. Tuy nhiên, các báo cáo được ghi nhận đến thời điểm hiện tại còn gây nhiều tranh cãi về vấn đề này bởi chưa có sự thống nhất về việc đông lạnh có gây ra phân mảnh DNA hay không và mức độ phân mảnh DNA ở tinh trùng trải qua quá trình đông lạnh. Điều này xuất phát bởi số lượng mẫu ở mỗi nghiên cứu là khác nhau, quy trình đông lạnh khác nhau, quy trình chuẩn bị tinh trùng và các xét nghiệm đánh giá tính toàn vẹn của DNA tinh trùng được sử dụng ở mỗi nghiên cứu cũng có nhiều khác biệt [4].

5.Ảnh hưởng đến ty thể

Không giống như ty thể của tế bào soma, ty thể của tinh trùng bao gồm Cytochrome C, tiểu đơn vị Cytochrome C Oxidase, đồng dạng protein và isoenzyme. Sự thay đổi tính lưu động của màng ty thể cũng có thể dẫn đến sự thay đổi điện thế màng và giải phóng các gốc oxy hóa tự do [4]. Ty thể đóng vai trò rất cơ bản trong sản xuất ATP bằng cách phosphoryl hóa oxy hóa, tham gia vào các quá trình khác như sản xuất các gốc tự do và apoptosis. Việc giải phóng các gốc oxy tự do như anion superoxide, hydrogen peroxide và nitric oxide rất quan trọng. Nếu việc giải phóng gốc oxy tự do vượt quá khả năng của hệ thống phòng thủ chống oxy hóa của tế bào, quá trình peroxy hóa màng sinh học, đặc biệt là màng huyết tương của tinh trùng và các điều kiện không mong muốn có thể gây ra stress oxy hóa, lão hóa liên quan đến DNA và apoptosis [3]. Đặc biệt, ty thể tạo ra năng lượng hoạt hóa cần thiết cho sự di chuyển của tinh trùng nhờ vào các vi ống ở cấu trúc đuôi. Do đó, bất kỳ rối loạn nào trong quá trình chuyển hóa ty thể đều dẫn đến giảm khả năng di động của tinh trùng [3].

6. Những thay đổi về protein trong tinh trùng đông lạnh

Trong quá trình đông lạnh và rã đông tinh trùng, các gốc oxy hoá tự do có thể được tạo thành do stress oxy hoá, điều này làm giảm các yếu tố chống oxy hoá, tương quan với quá trình pexory hoá lipid và có thể gây ra apoptosis tinh trùng [11]. Một số báo cáo ghi nhận rằng tinh trùng đông lạnh có sự giảm enzyme chống oxy hoá SOD1 [12], hoạt hoá capase 3, 8, 9 và suy giảm chức năng màng ty thể, gây ra sự giải phóng các enzyme liên quan đến ty thể [13], giảm biểu hiện protein AIFM1 và cytochrome CYC2, và sự gia tăng của Clusterin và Importin-1β - các protein liên quan đến apoptosis ty thể và tổn thương DNA ở tinh trùng [12]. Chuỗi Tubulin-α 1A, tham gia vào khả năng vận động của tinh trùng có biểu hiện tăng trong các mẫu đông lạnh với mức tăng rõ rệt ở thời gian bảo quản dài [13, 14].

Kết luận

Những tổn thương xảy ra trong quá trình đông lạnh và rã đông tinh trùng có thể tác động trực tiếp đến chất lượng tinh trùng. Trong đó, tinh trùng sau rã đông được ghi nhận giảm tỉ lệ tinh trùng di động, giảm tỉ lệ tinh trùng sống, giảm tỉ lệ tinh trùng bình thường và tăng các bất thường ở đầu, cổ và đuôi tinh trùng. Bên cạnh đó, tinh trùng sau rã đông có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của DNA, chức năng ti thể hay sự biểu hiện các protein ở tinh trùng. Mặc dù vậy, những lợi ích mà đông lạnh tinh trùng mang lại vẫn là yếu tố giúp kỹ thuật đông lạnh tinh trùng được ứng dụng phổ biến trong hỗ trợ sinh sản hiện nay. Việc hiểu rõ những tác động của quá trình đông lạnh đến chất lượng tinh trùng sẽ là tiền đề cho những nghiên cứu nhằm mục đích phát triển cho các kỹ thuật đông lạnh, từ đó giúp giảm tối đa những tổn thương ở tinh trùng sau quá trình đông lạnh - rã đông.

Tài liệu tham khảo

Grynberg, M., & Patrizio, P. Female and male fertility preservation. Springer International Publishing. 2022; p.453-470.
Hungerford, A., Bakos, H. W., & Aitken, R. J. Sperm cryopreservation: Current status and future developments. Fertility and Development. 2022; 35(3), 265-281.
Öztürk, A. E., Bucak, M. N., Bodu, M et al. Cryobiology and Cryopreservation of Sperm. Cryopreservation - Current Advances and Evaluations. IntechOpen; 2020.
Di Santo, M., Tarozzi, N., Nadalini, M., & Borini, A. Human sperm cryopreservation: update on techniques, effect on DNA integrity, and implications for ART. Advances in urology. 2012; 2012(1), 854837.
Martins, A. D., Agarwal, A., & Henkel, R. Sperm cryopreservation. In Vitro Fertilization: A Textbook of Current and Emerging Methods and Devices. 2019; 625-642.
Ozimic, S., Ban-Frangez, H., & Stimpfel, M. Sperm cryopreservation today: Approaches, efficiency, and pitfalls. Current Issues in Molecular Biology. 2023; 45(6), 4716-4734.
Hezavehei, M., Sharafi, M., Kouchesfahani, H. M., Henkel, R., et al. Sperm cryopreservation: A review on current molecular cryobiology and advanced approaches. Reproductive biomedicine online. 2018; 37(3), 327-339.
World Health Organization. WHO laboratory manual for the examination and processing of human semen. World Health Organization. 2021; 171-184
O'connell, M., Mcclure, N., & Lewis, S. E. M. The effects of cryopreservation on sperm morphology, motility and mitochondrial function. Human reproduction. 2002; 17(3), 704-709.
Ozkavukcu, S., Erdemli, E., Isik, A., Oztuna, D., & Karahuseyinoglu, S. Effects of cryopreservation on sperm parameters and ultrastructural morphology of human spermatozoa. Journal of assisted reproduction and genetics. 2008; 25, 403-411.
Estudillo, E., Jiménez, A., Bustamante-Nieves, P. E et al. Cryopreservation of gametes and embryos and their molecular changes. International Journal of Molecular Sciences, 2021; 22(19), 10864.
Bogle, O. A., Kumar, K., Attardo‐Parrinello, C., Lewis, S. E. M et al. Identification of protein changes in human spermatozoa throughout the cryopreservation process. Adrology. 2017; 5(1), 10-22.
Paasch, U., Sharma, R. K., Gupta, A. K., Grunewald, S et al. Cryopreservation and thawing is associated with varying extent of activation of apoptotic machinery in subsets of ejaculated human spermatozoa. Biology of reproduction. 2004; 71(6), 1828-1837.
Desrosiers, P., Légaré, C., Leclerc, P., & Sullivan, R. Membranous and structural damage that occur during cryopreservation of human sperm may be time-related events. Fertility and sterility. 2006; 85(6), 1744- 1752.