Effect of Cholesterol Supplementation in Freezing Medium on the Survival and Integrity of Human Sperm after Cryopreservation

Objective: During cryopreservation process, cold shock and cryo-injury affect the fertilizing capacity of the sperm by damaging cell membranes with loss of functional integrity. A longstanding concept for preventing the cryo-damage is to stabilize the plasma membrane by incorporating cholesterol. This study was to determine the effects of cholesterol in freezing media on the motility and functional integrity of human sperm after cryopreservation. Methods: Control group (non-cholesterol treated) and different concentrations of cholesterol-treated sperm (14 healthy males) were frozen and thawed. After freezing and thawing of sperm, the quality of sperm was evaluated by sperm analysis, acrosome reaction test and sperm chromatin structure assay. Results: When human sperm were incubated in sperm freezing medium (SFM) containing $0.5{\mu}g$ cholesterol and then freezing/thawing, the motility of sperm have significantly improved compared to those untreated cholesterol ($33.46{\pm}1.48%$ vs. $30.10{\pm}1.07%$, p<0.05). The rate of calcium ionophore-induced acrosome reactions in post-thawed sperm was significantly higher than that ($53.60{\pm}1.60%$ vs. $47.40{\pm}1.86%$, p<0.05) in SFM containing cholesterol. Sperm chromatin structure assay revealed that DNA damage to the sperm in the cholesterol-treated group was lower than that of non-treated group. Conclusion: These results suggest that increased cholesterol content of sperm plasma membrane by supplementation of cholesterol in SFM improves sperm motility, capacitation status, and DNA integrity. Therefore, addition of cholesterol into SFM could be a useful for protecting human sperm from cold shock and cryo-injury during cryopreservation.

콜레스테롤이 동결-해동 후 인간정자의 생존과 기능보존에 미치는 영향

목 적: 정자의 동결 과정에서 생길 수 있는 급격한 온도 차에 의한 동결 충격이나 동결 상해등에 의한 세포막의 손상, 세포의 기능 장애 등은 정자의 수정능에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 인간 정자를 동결 보존하는 과정에서 콜레스테롤 전처리가 정자의 운동성 및 기능보존에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 연구방법: 본원을 내원한 14명 남성의 정자를 대상으로 콜레스테롤을 첨가하지 않은 대조군 (control)과 여러 농도의 콜레스테롤을 동결보존액에 첨가한 실험군에서 정자의 동결-융해 후 상태를 다음 3가지 방법으로 비교, 분석하였다. 1) 정자 분석, 2) calcium ionophore로 유도된 첨체 반응 검사, 3) 정자 염색질 구조 분석 (sperm chromatin structure assay). 결 과: 첫째로 인간 정자의 운동성은 $0.5{\mu}g$ 농도의 콜레스테롤을 첨가한 동결보존액에서 동결-해동하였을 경우, 콜레스테롤을 첨가하지 않은 군에 비해 유의적 차이를 보이며 증가하는 것을 확인하였다 ($33.46{\pm}1.48%$ vs. $30.10{\pm}1.07%$, p<0.05). 다음으로 동된 정자의 첨체 반응 검사에서도 콜레스테롤을 첨가한 동결보존액에서의 첨체 반응이 일어나는 정자의 비율이 첨가하지 않은 군에 비해 유의하게 높게 관찰되었다 ($53.60{\pm}1.60%$ vs. $47.40{\pm}1.86%$, p<0.05). 마지막으로 정자 염색질 구조 분석에서는 콜레스테롤을 첨가한 군이 첨가하지 않은 군에 비해 정자의 DNA손상이 적게 나타남을 확인하였다. 결 론: 본 실험은 동결보존액을 통한 정자 원형질막 내 콜레스테롤 함유량의 증가가 동결-융해 후 정자의 운동성과 수정능(capacitation status)을 증가시키고 DNA 손상을 방지하는 역할을 한다는 결과를 보여주었다. 이러한 결과를 통해 동결보존액 내 콜레스테롤의 첨가는 인간 정자의 동결보존 동안 발생할 수 있는 동결 상해를 줄여줄 수 있는 유용한 방법으로 사료된다.