Espermatogénesis

Túbulos seminíferos con espermatozoides maduros tinción H&E.

La espermatogénesis es el mecanismo encargado de la producción de espermatozoides; es la gametogénesis en el hombre. Este proceso se produce en las gónadas, aunque la maduración final de los espermatozoides se produce en el epidídimo. La espermatogénesis tiene una duración aproximada de 62 a 75 días en la especie humana, y consta de tres fases o etapas: fase proliferativa, meiosis o espermatocitogénesis, y espermiogénesis o espermiohistogénesis. A veces incluye aterogénesis y retrogénesis.

Conceptos históricos

El comienzo de las investigaciones en el desarrollo de las células reproductivas masculinas coincide casi exactamente con la llegada de la teoría celular, que naturalmente conllevó al descubrimiento de la naturaleza “celular” de los espermatozoa; la palabra aparece en 1827 por primera vez, sin embargo no es del todo claro quién fue el primero en pronunciar la idea de que los espermatozoides provenían de células testiculares. Koelliker (1841), quien colectó la primera evidencia notable acerca de este tema, mantuvo que fue Rudolph Wagner, puesto que el examinó los fluidos frescos provenientes de los túbulos testiculares en mamíferos, y los observó bajo el microscopio evidenciando “gránulos peculiares o esférulas” de formas y tamaños muy variables. Wagner también observó “Samenthierchen”, o animálculos de esperma, espermatozoa, sintiéndose seguro de que los varios tipos de esférulas vistos con anterioridad eran estados anteriores al espermatozoa. Su trabajo, en el que la palabra “célula” no ocurre ni una sola vez, es característico del tipo de concepto de formación que precedió inmediatamente a la teoría celular. Años más tarde, Albert Koelliker presenta un tratado tras varios años de investigación, en el que enseña por primera vez los aspectos fundamentales concernientes a la espermatogenesis:

• En el semen de todos los animales, con algunas excepciones, se encuentran partículas motiles “Thelie”, espermatozola.

• Los espermatozoa son la parte esencial del semen.

• Los espermatozoa se desarrollan individualmente en paquetes a partir de células que se han formado en momentos de madurez sexual o de actividad testicular a través de procesos análogos al desarrollo celular, pero significativamente diferentes del desarrollo cigótico de los animales.

• Las formas de los espermatozoa son bastante limitadas en variedad. Usualmente son similares dentro de géneros, y frecuentemente también dentro de clases y familias. Cada animal parece poseer solo un tipo de espermatozoa, con solo algunas excepciones.

Bajo estas conclusiones y un par mas, Koelliker deja claro que la visión del espermatozoa como condición primaria de un animal en desarrollo, sostenida por Leeuwenhoek y muchos otros, debía ser abandonada.

A partir de ese momento, las investigaciones acerca de la espermatogénesis comenzaron a avanzar con mucha más rapidez y eficiencia. Finalmente, el descubrimiento más importante en este campo y el de los tejidos espermatogénicos, fue la demostración de las células de soporte (células de Sertoli), en los túbulos seminíferos de humanos hecha por el mismo hombre de cuyo nombre se deriva el nombre de estas células.

Las corrientes de investigación actuales están predominantemente orientadas a la resolución de problemas humanos en el sentido más amplio de la palabra, y es llevada a cabo por especialistas en los campos médicos y paramédicos actuales, aun así, en el presente, es de suma importancia mantener la significancia biológica de este tema de manera firme en mente.

La espermatogénesis o espermatocitogénesis (meiosis) y la espermiogénesis o espermiohistogénesis (formación estructural del espermatozoide) son los dos procesos que engloba la espermatogénesis. Primero se forman las células haploides y después se forman los espermatozoides. La duración no es regular, es decir, la meiosis tiene una duración mucho menor que la espermiogénesis.

Espermatogénesis o espermaticitogénesis

Los espermatozoides son células haploides que tienen la mitad de los cromosomas que una célula somática, son móviles y son muy diferenciadas. La reducción en ellas se produce mediante una división celular peculiar, la meiosis en el cuál una célula diploide (2n), experimentará dos divisiones celulares sucesivas sin un paso de duplicación del ADN entre dichas divisiones, con la capacidad de generar cuatro células haploides (n). En este proceso es necesario pasar de unas células diploides, inmóviles e indiferenciadas a otras haploides, móviles y muy diferenciadas.

Un importante hecho a resaltar, es que mientras las divisiones reduccionales de la meiosis se conservan en cada reino eucariota, la regulación de la meiosis en mamíferos difierentes, dramáticamente entre machos y hembras; entre estas diferencias, se encuentran 6:

• meiosis iniciada continuamente a partir de las poblaciones de células madre correspondientes.
• 4 gametos producidos por ciclo mientras que en la ovogénesis es solo 1 (un ovulo funcional y 3 cuerpos polares).
• Meiosis completada en días o incluso semanas
• La meiosis y diferenciación procede continuamente sin arrestamiento del ciclo celular.
• La diferenciación de gametos ocurre bajo un precursor haploide, luego de que la meiosis termina.
• Los cromosomas sexuales son excluidos de recombinación y transcripción durante la primera profase meiótica.

La espermatogénesis, en la especie humana, se produce en ondas a todo lo largo de los túbulos seminíferos, por lo que zonas adyacentes del mismo túbulo muestran espermatocitogénesis y espermiogénesis en diversas fases. Así, el proceso comienza cuando las células indiferenciadas de los túbulos seminíferos1 de los testículos se multiplican.

Estas células germinales dan lugar a células madre de los espermatogonios, a partir de las cuales surgen las células que se diferenciaran a espermatocitos primarios tras la mitosis correspondiente de las células de tipo A. Las espermatogonias de tipo A, entonces, a través de repetidos ciclos de mitosis producen nuevas espermatogonias y mantienen así la reserva celular. Estas células se caracterizan por poseer un gran núcleo redondo u oval de cromatina condensada, en el que pueden encontrarse el núcleo periférico y una vacuola nuclear. La producción de espermatogonias de tipo A marca el inicio de la espermatogénesis, donde todas estas células son diploides.

Existen varios tipos de espermatogonias tipo A según el aspecto de sus núcleos celulares:

• Espermatogonias oscuras Ad, las cuales solo se dividen cuando tiene lugar una reducción drástica de espermatogonias, y además se cree que estas células representan las células madre del sistema y que su división mitótica produce mas células de tipo Ad y algunas de tipo Ap.
• Espermatogonias pálidas Ap, las cuales dan lugar a más espermatogonias del mismo tipo o a espermatogonias de tipo B. Las primeras, dan lugar a células hijas unidas entre si por puentes citoplasmáticos, mientras que las segundass se originan por maduración de las primeras.

Las espermatogonias de tipo B se dividen por mitosis produciendo mas células de su tipo; estas células, maduraran por grupos de unas 100 espermatogonias produciendo espermatocitos primarios y eventualmente espermatozoides; también cabe resaltar, que las espermatogonias de este tipo, se caracterizasn por carecer de una vacuola nuclear. No se conoce aun que causa que este tipo de espermatogonias siga el camino hacia la diferenciación celular, antes que el de auto-renovación; tampoco es conocido que estimula a estas células para entrar en división meiotica en vez de división mitótica.

Cuando el individuo alcanza la madurez sexual, el proceso de espermatogenesis regulado probablemente por la síntesis de la proteína BMP8B a partir de las propias espermatogonias comienza cuando BMP8B alcanza niveles críticos de concentración; las espermatogonias de tipo B aumentan de tamaño y se transforman en espermatocitos de primer orden que migran al compartimiento adluminal del túbulo seminifero1 antes de comenzar la primera división meiótica mientras siguen siendo diploides: El ADN de los espermatocitos primarios se replica justo después de su formación constituyendo un estado 4n, y marcando el final de lo que se conoce como espermatocitogenesis. Estas células, se reconocen fácilmente por sus abundantes citoplasmas y sus grandes núcleos, que contienen grumos gruesos o finas hebras de cromatina; además, también están unidas por un puente citoplasmático conspicuo como se mencionó con anterioridad que regula el proceso de división de forma que todas las células involucradas reciban la señal de hacer meiosis a la vez mediante diferentes iones o moléculas; dichas uniones citoplasmáticas solo se romperán una vez los espermatozoides sean liberados en la luz del túbulo seminifero1. Así, es en estas células donde sucede la meiosis por primera vez:

La meiosis I dará lugar a dos espermatocitos de segundo orden; estos espermatocitos secundarios, son entonces mas pequeños, y progresan con rapidez a la segunda división meiotica, por lo que rara vez son visibles. Tras la meiosis II resultarán cuatro espermátidas (gracias a la meiosis, de una célula diploide surgen cuatro células haploides (gametos)).

Espermiogénesis o espermiohistogénesis

Los gametos así producidos siguen el proceso de maduración conocido como espermiogenesis, donde en dicha fase las espermátidas se convierten en espermatozoides; para ello, se reduce el citoplasma, el núcleo de la celula se alarga, queda en la cabeza del espermatozoide generando la forma puntiaguda característica de este tipo de células y finalmente se forma el flagelo que permite el movimiento. Por tanto, se trata de la última fase de la espermatogénesis, en la que tiene lugar la maduración de las espermátidas hasta adquirir las estructuras morfológicas del espermatozoide. Este proceso se lleva a cabo en cuatro eventos que ocurren simultáneamente:

a) Condensación del núcleo: Se hace pequeño, denso y con forma aplastada. El ADN se compacta en esta etapa por la acción de unas proteínas denominadas protaminas.

-El núcleo se hace pequeño, denso y de forma aplastada (oval desde arriba, piriforme desde el lado).

-El acrosoma se dispone en el extremo apical.

-Tanto el núcleo como el acrosoma forman la cabeza del espermatozoide.

b) Formación del acrosoma: Se posiciona en el extremo apical, y aprece rodeado por dos membrans, una externa y otra interna. El acrosoma es un lisosoma especializado que contiene principalmente hialuronidasa. Esta enzima se encarga de degradar el ácido hialurónico que aparece como miembro integrante de las células de la granulosa, permitiendo por tanto eliminar las capas celulares por disgregación de las mismas que rodean al ovovito. Esta enzima es de vital importancia en ICSIs en los que es necesario acceder al ovocito a través de las capas de la granulosa para inyectar intracitoplasmáticamente el pronúcleo masculino.

La capa de células de la granulosa es una masa que rodea al ovocito y puede ser eliminada con hialuronidasa (proceso de decumulación). Con ello se puede determinar el estado de maduración en el que se encuentra el ovocito. No obstante, este a su vez presenta una capa pelúcida que lo rodea ¿cómo podemos saber entonces tras la decumulación si se encuentra maduro para ser fecundado o no?

Podemos saber si el ovocito es maduro o no en función de si presenta corpúsculo polar. Si es maduro la ovogonia ha completado metafase II, lo que implica la formación del corpúsculo polar y del ovocito maduro; en cambio si el corpúsculo polar no aparece es porque la ovogonia se encuentra todavía parada en metafase II y por tanto el ovocito todavía es inmaduro y no se puede fecundar. Posteriormente se produce la atresia (degradación del corpúsculo polar).

c) Formación del flagelo: Se desarrolla a partir del centriolo distal y constituye un cilindro de 9 microtúbulos dobles que rodea dos únicos centrales (estructura 9+2). Durante la rotación del núcleo se dispone en la base de la cabeza. El flagelo completo consta de cuello, pieza media, pieza principal y pieza final.

Los centriolos del espermatozoide cumplen un papel esencial en la fecundación. Esto se debe a que el ovocito carece de centriolos. Por tanto, cuando tiene lugar la fecundación, en primer lugar el cigoto presenta un pronúcleo masculino paterno y un pronúcleo femenino materno. Posteriormente ambos pronúcleos se fusionan y se genera una célula diploide que se divide inmediatamente. Para que esta división pueda tener lugar es necesario un posicionamiento de los cromosomas tanto materno como paterno de forma ordenada en lo que se denomina la placa metafásica. Este posicionamiento solamente puede tener lugar si están presentes los centriolos y además funcionan correctamente. Cuando los centriolos no son capaces de polimerizar los microtúbulos, o estos son inestables se generan alteraciones cromosómicas estructurales, dando lugar a aneuploidías.

d) Reducción del citoplasma. El citoplasma de la espermátida es fagocitado por las células de Sertoli o se abandona en el interior de los túbulos. Puede permanecer unido al espermatozoide cierto tiempo. Además dichas células de Sertoli forman la barrera hematotesticular (no deja pasar ningún tipo de célula inmunogénica).

Asi, los espermatozoides presentan tres zonas bien diferenciadas: la cabeza, el cuello y la cola. La primera es la de mayor tamaño, contiene los cromosomas de la herencia y lleva en su parte anterior un pequeño saliente o acrosoma cuya misión es perforar las envolturas del óvulo. En el cuello se localiza el centrosoma y las mitocondrias, y el flagelo, que se origina a partir de los centriolos, es el filamento que se encarga de generar la motilidad que le permite al espermatozoide "nadar" hasta el óvulo para fecundarlo.

El examen de los distintos cortes de los tubulos de un testículo normal demuestra que alrededor de la mitad de las células espermatogenicas se encuentra en estadio de espermatide tardia1.

Las células de Sertoli, representan un componente de gran importancia en la regulación de la espermatogénesis. durante el proceso de desarrollo, estas células cuyos núcleos suelen encontrarse desde la membrana basal hasta la luz de los túbulos seminíferos, forman la barrera hematotesticular. El núcleo de las células tiene una forma triangular u oval típica, con un núcleo prominente y cromatina dispersa1.

La capa basal de las células germinales se adosa a la membrana basal, rodeada por una lamina propia en la que existen varias capas de miofibroblastos y fibroblastos fusiformes. Se forman uniones intimas tanto entre las mismas células, y estas con las células germinales en desarrollo. Se sabe que para la producción y maduración de las células espermatogénicas es esencial que existan concentraciones elevadas de hormonas androgénicas secretadas por las células de Leydig del mesotelio reticular. Las células de Sertoli secretan una proteína captadora de andrógenos que transporta la testosterona y la dihidrotestosterona hacia la luz del tubulo seminifero. Dichas hormonas son también necesarias para la función del epitelio de la rete testis y del epidídimo; la producción de esta proteína de unión parece depender de una gonadotropina hipofisaria, la hormona estimulante del folículo(FSH).

Un ciclo espermatogénico tiene una duración aproximada de 2 meses. Las espermatogonias están en mitosis durante 16 días, dando lugar a los espermatocitos primarios. Estos tardan 24 días en completar la primera meiosis y dar lugar a los espermatocitos secundarios, los cuales tardarán horas en convertirse en espermátides. Las espermátides tienen que diferenciarse, como se ha comentado anteriormente, tardando otros 24 días para ese proceso. Si sumamos todo obtenemos unos 64 días desde el paso de espermatogonias hasta espermatozoides.

Al realizarse la fecundación, estos espermatozoides antes de salir pasan por el epidídimo del testículo, donde se realiza la espermiohistogénesis, y obtienen la acrosoma, un estilo de casco en el espermatozoide hecho de enzimas, y una glicolema (capa), que la protege del pH de la vagina. Esta capa (glicolema), se pierde en la diferenciación natural, que desaparece antes de llegar al óvulo para lograr entrar en él con la fuerza del acrosoma. Recordemos además, que el espermatozoide está formado por una zona intermedia donde se alojan numerosas mitocondrias que garantizan el aporte energético, también están formados por un flagelo constituido por un filamento axial rodeado por una vaina fibrosa, que permite la movilidad.

Efecto de la temperatura en la espermatogénesis

Todo el proceso ocurre en el testículo y a través del epidídimo llega hasta el pene desembocando al exterior. El testículo es una glándula secretora suspendida en una bolsa suelta de piel, denominada bolsa escrotal. La finalidad de mantener el testículo fuera del cuerpo es para que la temperatura de la glándula sea tres grados menor que la del cuerpo, debido a que la temperatura óptima de funcionamiento óptimo de las polimerasas que llevan a cabo todas las actividades enzimáticas en la espermatogénesis tienen una T óptima de unos 34ºC.

Por tanto, se concluye que en la mayoría de los mamíferos la temperatura tiene un efecto inhibitorio sobre la espermatogénesis, al afectar a los siguientes factores:

-Bloqueo de la maduración de las espermatogonias a la temperatura corporal.

-La β-polimerasa y la recombinasa espermatogénica tienen un temperatura óptima de funcionamiento ligeramente inferior (1-3ºC) a la temperatura corporal. Temperaturas superiores a la óptima inhibe su actividad notablemente.

-Para evitar estos efectos de inhibicion por calor los testículos están dispuestos en el exterior en la mayoría de los mamíferos.

-El escroto no contiene grasa y sus músculos reaccionan al calor extendiendo o contrayendo la piel. El sistema arterial (calor) y venoso (frío) también interviene en la regulación de la temperatura escrotal.

Periodo embrionario

Una vez las células germinales llegan a la cresta germinal del embrión masculino, se incorporan a los cordones sexuales, donde se mantendrán hasta la madurez, y perforaran a fin de formar un orificio pasante que corresponderá a los tubulos seminiferos, y el epitelio de dichos tubulos se diferenciara en células de Sertoli.

La formación de espermatozoides comienza alrededor del día 24 del desarrollo embrionario en la capa endodérmica del saco vitelino. Aquí se producen unas 100 células germinales que migran hacia los esbozos de los órganos genitales. Alrededor de la cuarta semana ya se acumulan alrededor de 4000 de estas células, y el gen SRY determina que formen los testículos para poder producir espermatozoides, aunque este proceso no empezará hasta la pubertad. Hasta entonces, las células germinales se dividen por dos.

Transporte espermático en el testículo: Eyaculación

Durante el proceso de eyaculación se dan los siguiente eventos:

- Contracciones de los túbulos seminíferos, eferentes y deferentes.

- Aumento del fluído luminal y su presión. El fluido luminal de los conductos deferentes tiene mucho péptido conectivo para permitir la contracción.

- Contracciones de la capsula testicular.

Los espermatozoides siguen el siguiente recorrido hasta la uretra:

1º) Condúctos eferentes: Testículo a epidídimo.

2º) Conductos deferentes: Epidídimo a uretra.

El epidídimo es el responsable de la maduración y activación de la movilidad espermática (capacitación, necesaria para que adquieran movilidad). Los espermatozoides tardan aproximadamente dos semanas en atravesarlo, y se almacenan tanto en la porción final del epidídimo como en los conductos deferentes antes de la eyaculación.

Acción hormonal

Esta regulación se produce por retroalimentación negativa, desde el hipotálamo, el que actúa en la hipófisis, y finalmente en el testículo. Las hormonas responsables son:

• Testosterona: responsable de las características sexuales masculinas, es secretada en el testículo por las células de Leydig o instersticiales. Esta hormona también es secretada por la médula de la corteza suprarrenal pero en menores cantidades en comparación al testículo, también se secreta en las mujeres pero en mínimas cantidades.

• FSH u hormona folículo estimulante: secretada por la hipófisis, actúa sobre las células de Sértoli o nodrizas para que éstas actúen sobre los espermios en desarrollo.

• LH u hormona luteinizante: secretada por la hipófisis, actua sobre las células de Leydig o instersticiales para que secreten testosterona.

• Inhibina: secretada las células de Sértoli o nodrizas, actúa sobre la hipófisis inhibiendo la secreción de FSH y con ello deteniendo la espermatogenesis.

Eficiencia

El hecho de que durante el eyaculado se produzca una elevada pérdida de espermatozoides, junto con un número bastante elevado de espermatozoides malformados, convierte este mecanismo en un proceso redundante e ineficaz: de toda la capacidad espermatogénica potencial del testículo, tan sólo un 25% consigue evitar la pérdida por apoptosis o degeneración. A su vez, la mayoría son malformados, motivo por el cual únicamente un 12% de las células iniciales son potencialmente útiles.

A pesar de todo lo anterior, un varón fértil es capaz de producir eyaculados con 150 millones de espermatozoides varias veces por semana.

La ineficacia de la espermatogénesis es debida fundamentalmente a la ausencia de presión selectiva en la especie humana, y por ello los factores externos afectan mucho los parámetros seminales. La evolución ha impuesto que a mayor presión selectiva mayor eficacia presenta la espermatogénesis.

Véase también

• Ovogénesis

Referencias

• http://books.google.com/books?id=S_NHxeSLJoAC&pg=PA334&dq=histologia+espermatogenesis&cd=1#v=onepage&q&f=false
• http://books.google.com/books?id=yzY8AAAAIAAJ&printsec=frontcover&dq=spermatogenesis&cd=1#v=onepage&q&f=false
• Scott F. Gilbert, Developmental Biology (6th Edition), cap 19 Spermatogenesis.
• http://books.google.com/books?id=nZ9pfAFu6JcC&pg=PA330&dq=histologia+espermatogenesis&cd=4#v=onepage&q&f=false