The impact of L-carnitine on human semen quality upon cryopreservation, its association with sperm fatty acids, and assessment of a novel analytical tool for DNA fragmentation in mammals

Abstract

Reduced male fertility is associated with reduced semen quality and can result from medical conditions, such as infections or blockages in the reproductive organs, and lifestyle factors like obesity. However, the cause of reduced fertility remains unexplained in about 50% of affected males. Even though semen analysis constitutes a central and initial part of male infertility investigation, relying on it alone is insufficient for a comprehensive diagnosis of male infertility. Recent studies suggest that oxidative stress may be a contributing factor in male infertility. Oxidative stress arises from an imbalance between reactive oxygen species (ROS) production and the body's antioxidant defence, leading to sperm DNA damage at various stages of sperm development. While sperm fatty acids are vital for sperm function, L-carnitine is equally important, facilitating the transport of long-chain fatty acids for β-oxidation and supporting antioxidant defence. High levels of L-carnitine from the epididymis are found in seminal plasma and positively correlate with sperm concentration and motility. Additionally, L-carnitine supplementation in cryopreservation media improves post-thaw semen quality by reducing ROS levels and DNA fragmentation. The primary objective of this project was to assess the effect of endogenous seminal L-carnitine on human sperm parameters in fresh and post-thaw semen samples. Additionally, we explored alternative approaches for evaluating DNA fragmentation, using bull spermatozoa as a model system. In the first article, we revealed that free seminal L-carnitine levels positively correlate with palmitic acid, docosahexaenoic acid, and total n-3 PUFAs in sperm. Seminal L-carnitine levels were not linked to BMI, indicating that the reduced semen quality associated with obesity is unrelated to L-carnitine. These results support the role of the epididymis in sperm maturation. In the second paper, we showed that both endogenous L-carnitine and L-carnitine supplemented to the cryopreservation medium improve sperm motility and mitigate the oxidative stress caused by freezing. In addition, this study evaluated alternative methods to the Sperm Chromatin Structure Assay (SCSA) for detecting DNA damage in bovine sperm. Our study found that SCSA and Sperm Chromatin Dispersion (SCD) tests both effectively identified increased DNA damage in bull spermatozoa exposed to high H₂O₂ concentrations, whereas Sensitive Recognition of Individual DNA Ends (dSTRIDE) test did not. These results suggest that SCD is a promising alternative to SCSA for assessing DNA damage, while dSTRIDE needs further refinement.

Redusert mannlig fertilitet er forbundet med nedsatt sædkvalitet og kan ha ulike årsaker som medisinske tilstander, som infeksjoner eller blokkeringer i reproduktive organer, eller livsstilsfaktorer som fedme. Hos rundt 50% av menn med nedsatt fertilitet er årsaken fortsatt ukjent. Selv om en sædanalyse utgjør en sentral og innledende del av undersøkelsen av mannlig infertilitet, er den alene ikke tilstrekkelig for å stille en fullstendig diagnose. Nyere forskning antyder at oksidativt stress kan være en medvirkende faktor til mannlig infertilitet. Oksidativt stress oppstår som følge av en ubalanse mellom produksjon av reaktive oksygenforbindelser (ROF) og kroppens antioksidantforsvar, noe som kan føre til DNA-skader i sædceller i ulike stadier av spermieutviklingen. Fettsyrer er viktige for sædfunksjonen, mens L-karnitin spiller en sentral rolle ved å transportere langkjedede fettsyrer for β-oksidasjon og styrke antioksidantforsvaret. Høye nivåer av L-karnitin fra epididymis finnes i sædplasma og viser en positiv sammenheng med sædkonsentrasjon og motilitet. Tilsetning av L-karnitin i frysemedia har vist å forbedre kvaliteten på opptint sæd ved å redusere ROF-nivåer og DNA-skader. Hovedmålet med dette prosjektet var å undersøke effekten av endogent seminalt L-karnitin på sædparametere i både ferske og tinte sædprøver hos mennesker. I tillegg ble alternative metoder for å vurdere DNA-fragmentering testet ved bruk av sædceller fra okse som dyremodell. Vår studie viste en positiv sammenheng mellom endogene nivåer av L-karnitin i sædplasma og fettsyrer som palmitinsyre, docosahexaensyre og totale n-3 flerumettede fettsyrer. Det ble ikke funnet noen sammenheng mellom L-karnitin-nivåer og BMI, noe som antyder at redusert sædkvalitet assosiert med fedme er uavhengig av L-karnitin. Funnene våre bekrefter rollen til epididymis i spermiemodning. Studien viste også at både endogene nivåer og tilsatt L-karnitin forbedret sædmotilitet, reduserte oksidativt stress og beskyttet mot fryseindusert skade. Videre testet vi alternative metoder til Sperm Chromatin Structure Assay (SCSA) test for å oppdage DNA-skader i oksesæd. Resultatene viste at både SCSA og Sperm Chromatin Dispersion (SCD) tester effektivt identifiserte økt DNA-skade i prøver eksponert for høye H₂O₂-konsentrasjoner, mens Sensitive Recognition of Individual DNA Ends (dSTRIDE) test ikke gjorde det. Dette indikerer at SCD er et lovende alternativ til SCSA for å vurdere DNA-skader, mens dSTRIDE krever videre utvikling av metoden.