Development and Application of Low-Cost and Environment-Friendly Techniques for Fish Sperm Cryopreservation

Abstract

[ES] La criopreservación de semen de peces es una técnica que puede aumentar la eficiencia de la reproducción en cautiverio de especies de peces de agua dulce y marinas. A lo largo de las últimas décadas, se han establecido protocolos para criopreservación de semen de diversas especies de peces. Sin embargo, el foco principal de los pescadores ha sido en tener éxito en el congelamiento y descongelamiento de los espermatozoides, no llevando en cuenta el período en que los gametos se quedan expuestos a la solución crioprotectora en un momento previo a la fertilización. Esta exposición de los espermatozoides a las soluciones crioprotectoras después del descongelamiento puede ser perjudicial a la calidad de los gametos, ya que pueden ser tóxicos. La mayoría de los protocolos establecidos utilizan recipientes de plástico ultrarresistentes para almacenar el semen durante el proceso de criopreservación. Estos recipientes normalmente no se reutilizan, generando residuos altamente contaminantes al medio ambiente. Así, el objetivo principal de la tesis fue crear y probar métodos de bajo costo que potencialicen el uso de los espermatozoides descongelados de peces y torne el proceso de criopreservación de semen menos contaminante al medio ambiente. Los experimentos de los capítulos 1 y 2 se llevaron a cabo en Brasil. Utilizamos el jundiá gris Rhamdia quelen, especie considerada modelo experimental para peces nativos de América del Sur. En el capítulo 1, probamos el uso de la dilución de semen descongelado para disminuir la toxicidad de la solución crioprotectora. La técnica se utiliza comúnmente en protocolos de criopreservación de semen de mamíferos, pero nunca antes se había aplicado al semen descongelado de peces suramericanos. Muestras de semen descongelado de R. quelen se diluyeron en un diluyente salino (NaCl al 1,1% - 325 mOsm kg-1; pH 7,6). Después, observamos que los espermatozoides de muestras diluidas mostraron mayores velocidades, rectitud, progresión y frecuencia de batido flagelar que las muestras no diluidas. La dilución del semen descongelado también proporcionó mayores tasas de fertilización y eclosión que el grupo no diluido. De esta manera, la dilución de semen descongelado de R. quelen resultó ser una metodología sencilla, económica y eficiente que debe incluirse en el protocolo de criopreservación del semen de la especie. En los capítulos 2 y 3 desarrollamos y probamos la metodología para el uso de cápsulas de gelatina biodegradables (colágeno) y cápsulas de hipromelosa biodegradables (HPMC) como recipiente alternativo al uso de pajuelas de plástico en la criopreservación de semen de peces. En el segundo capítulo observamos que las cápsulas biodegradables mantuvieron los parámetros cinéticos y la capacidad reproductiva del esperma de R. quelen así como las pajuelas de plástico.Los procedimientos experimentales del capítulo 3 se llevaron a cabo en España. En este capítulo aplicamos la metodología desarrollada en el capítulo 2 para la criopreservación del semen de anguila europea Anguilla anguilla, dorada Sparus aurata y lubina Dicentrarchus labrax. En estas tres especies, las cápsulas biodegradables conservaron los parámetros cinéticos y la integridad de la membrana de los espermatozoides, así como las pajuelas de plástico. Además, observamos que el daño al ADN en muestras de semen de anguila europea y lubina europea criopreservadas en cápsulas y pajuelas no difirió. Sin embargo, las muestras de semen de dorada mostraron mayor daño en el ADN que las criopreservadas en pajuelas. Aunque, el nivel de daño que observamos en las muestras almacenadas en las cápsulas se considera bajo, por lo que pueden no comprometer el desarrollo embrionario. Evaluamos los resultados y concluimos que las cápsulas de gelatina biodegradables y las cápsulas de HPMC biodegradables pueden utilizarse como recipientes alternativos al uso de pajuelas de plástico para la criopreservación de semen de las cuatro especies de peces.

[CA] La criopreservació de l'esperma de peixos és una tècnica que pot augmentar l'eficiència de la reproducció en captivitat d'espècies de peixos d'aigua dolça i marins. Al llarg de les dècades passades, s'han establert protocols per a la criopreservació de l'esperma de diverses espècies de peixos. No obstant això, el focus principal dels pescadors ha estat tenir èxit en la congelació i descongelació dels espermatozoides, sense tenir en compte el temps en què els gamets queden exposats a la solució crioprotectora abans de la fecundació. Aquesta exposició dels espermatozoides a les solucions crioprotectores després de la descongelació pot ser perjudicial per a la qualitat dels gàmetes, ja que poden ser tòxics. La majoria dels protocols establerts utilitzen recipients de plàstic ultrarresistents per emmagatzemar l'esperma durant el procés de criopreservació. Aquests recipients normalment no es reutilitzen, generant residus altament contaminants per al medi ambient. Així, l'objectiu principal de la tesi va ser criar i provar mètodes de baix cost que potenciïn l'ús dels espermatozoides descongelats de peixos i facin que el procés de criopreservació de l'esperma sigui menys contaminant per al medi ambient. Els experiments dels capítols 1 i 2 es van dur a terme a Brasil. Vam utilitzar el jundia gris Rhamdia quelen, una espècie considerada com a model experimental per a peixos natius d'Amèrica del Sud. En el capítol 1, vam provar l'ús de la dilució de l'esperma descongelat per reduir la toxicitat de la solució crioprotectora. Aquesta tècnica s'utilitza comúment en protocols de criopreservació de l'esperma de mamífers, però mai abans s'havia aplicat a l'esperma descongelat de peixos sud-americans. Mostres d'esperma descongelat de R. quelen es van diluir en un diluent salí (NaCl al 1,1% - 325 mOsm kg-1; pH 7,6). Després, vam observar que els espermatozoides de mostres diluïdes mostraven majors velocitats, rectitud, progressió i freqüència de batuda flagel·lar que les mostres no diluïdes. La dilució de l'esperma descongelat també va proporcionar majors taxes de fecundació i eclosió que el grup no diluït. D'aquesta manera, la dilució de l'esperma descongelat de R. quelen va resultar ser una metodologia senzilla, econòmica i eficient que ha d'incloure's en el protocol de criopreservació de l'esperma de l'espècie. En els capítols 2 i 3 vam desenvolupar i provar la metodologia per a l'ús de càpsules de gelatina biodegradables (col·lagen) i càpsules d'hipromelosa biodegradables (HPMC) com a recipient alternatiu a l'ús de canuts de plàstic en la criopreservació de l'esperma de peixos. En el segon capítol vam observar que les càpsules biodegradables mantenien els paràmetres cinètics i la capacitat reproductiva de l'esperma de R. quelen així com els canuts de plàstic. Els procediments experimentals del capítol 3 es van dur a terme a Espanya. En aquest capítol vam aplicar la metodologia desenvolupada al capítol 2 per a la criopreservació de l'esperma d'anguila europea Anguilla anguilla, daurada Sparus aurata i llobarro Dicentrarchus labrax. En aquestes tres espècies, les càpsules biodegradables van conservar els paràmetres cinètics i la integritat de la membrana dels espermatozoides, així com els canuts de plàstic. A més, vam observar que el dany a l'ADN en mostres d'esperma d'anguila europea i llobarro europeu criopreservades en càpsules i canuts no es va diferir. No obstant això, les mostres d'esperma de daurada van mostrar més dany a l'ADN que les criopreservades en canuts. Tot i això, el nivell de dany que vam observar a les mostres emmagatzemades en càpsules es considera baix, pel que poden no comprometre el desenvolupament embrionari. Vam avaluar els resultats i vam concloure que les càpsules de gelatina biodegradables i les càpsules d'HPMC biodegradables es poden utilitzar com a recipients alternatius a l'ús de canuts de plàstic per a la criopreservació de l'esperma de les quatre espècies de peixos.

[EN] Fish sperm cryopreservation is a technique that can increase the reproduction in captive efficiency of freshwater and marine fishes.Over the last few decades, protocols for sperm cryopreservation from many fishes have been established. However, the researchers' main focus was successfully freezing and thawing sperm, neglecting the period in which the gametes remain in contact with the cryoprotective solution until fertilization. Exposure of sperm to cryoprotectant solutions after thawing can be harmful to the quality of the gametes since they can be toxic. The majority of the established protocols use ultra-resistant plastic containers to store sperm during the cryopreservation process. These containers usually are not reused, generating highly polluting waste for the environment. Furthermore, in some countries, the containers usually used are sold by a few industries, which makes acquisition difficult and increases the product's price. Thus, the main objective of the thesis was to create and test low-cost methodologies that enhance the use of fish post-thaw sperm and make the sperm cryopreservation process more environmentally friendly. The experiments in the Chapters 1 and 2 were developed in Brazil. We used the South American silver catfish Rhamdia quelen, a species considered an experimental model for native South American fishes. In Chapter 1, we tested the use of post-thawing dilution to reduce the toxicity of the cryoprotectant solution. This technique is commonly used in mammalian sperm cryopreservation protocols but has never before been applied to post-thaw sperm of South American fishes. South American silver catfish post-thaw sperm samples were diluted in a saline extender (1.1% NaCl - 325 mOsm kg-1; pH 7.6). The post-thaw sperm diluted samples showed higher velocities, straightness, progression, and flagellar beat frequency than the cells of undiluted samples (control). The post-thawing dilution also provided higher fertilization and hatching rates than the control group. Thus, the post-thawing sperm dilution proved to be a simple, cheap, and efficient methodology that should be included in the silver catfish sperm cryopreservation protocol. In Chapters 2 and 3, we developed, tested, and described the methodology for using biodegradable gelatin (collagen) and hypromellose (HPMC) capsules as an alternative container to plastic straws in the fish sperm cryopreservation. In the second chapter, we observed that the biodegradable capsules maintained the kinetic parameters and reproductive capacity of South American silver catfish sperm just as effectively as plastic straws. The experimental procedures in Chapter 3 were carried out in Spain. We apply the methodology developed in Chapter 2 to the cryopreservation of sperm from European eel Anguilla anguilla, gilthead seabream Sparus aurata, and European sea bass Dicentrarchus labrax. In these three species, biodegradable capsules preserved the sperm kinetic parameters and membrane integrity just as effectively plastic straws. We observed that DNA damage in European eel and European sea bass sperm samples cryopreserved in capsules and straws did not differ. On the other hand, gilthead seabream sperm samples showed higher DNA damage than those cryopreserved in straws. However, the damage level observed in samples stored in capsules is considered low, thus, may not compromise embryonic development. We observed the results and concluded that biodegradable gelatin and HPMC capsules could be used as alternative containers to plastic straws for sperm cryopreservation from the tfour aquaculture fishes.