Metabolic stress in cattle: effect on gametes and follicular cells

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Estado de Santa Catarina - Fapesc Financiadora de Estudos e Projetos - Finep The fertility of dairy cows has declined in recent years and the metabolic disturbances that occur during the transition period have contributed to lower reproductive performance. During the period of negative energy balance (NEB), there is an increase in plasma concentrations of non-esterified fatty acids (NEFA) and ketone bodies, such as β-hydroxybutyrate (BHBA). Studies have shown that these changes are reflected in the bovine follicular, oviductal and uterine microenvironment. However, the effects of NEFA and BHBA in follicular cells and gametes is not fully elucidated. Therefore, the aim of this thesis was to evaluate the effect of high concentrations of BHBA on gametes, follicular growth, and ovulation in cattle and the effect of using Vitamin E to prevent oxidative stress in blood and follicular fluid of cows in NEB. First, the effects of BHBA on the viability of bovine spermatozoa were investigated. The results showed that high concentrations of BHBA impair the sperm kinetics, without altering the oxidative status and morphology of the cells. Subsequently, we evaluated whether intrafollicular injection (IIF) of BHBA compromises follicular growth and ovulatory cascade as well as steroid production and the abundance of genes related to steroidogenesis, oxidative and endoplasmic reticulum (ER) stress, and apoptosis in granulosa cells. BHBA decreases the diameter of the dominant follicle and the follicular growth rate. However, in this study no harmful effect of BHBA was observed on the ovulatory cascade or on the functionality of granulosa cells. To understand the effects of BHBA on the expansion, oxidative status, and ER stress in bovine cumulus cells and on the rate of nuclear maturation and oocyte cleavage, the third experiment was performed. The results of this study showed that BHBA induces ER stress in cumulus cells up to 12 h of IVM, without compromising the other variables analyzed. To evaluate the effect of parenteral use of vitamin E to prevent oxidative stress in blood and follicular fluid of cows in NEB we performed the last study included in this thesis. The results showed that the concentration of vitamin E in the blood and follicular fluid were higher in cows that received the antioxidant in comparison without Vitamin E. Furthermore, in this study, we can observe that animals that did not receive antioxidant had higher ROS production in the follicular fluid compared to animals treated with 1,000 IU of Vitamin E, demonstrating the effectiveness of the antioxidant. From these data, it was possible to determine that BHBA and NEFA have deleterious effects on gametes and follicular cells and vitamin E, as antioxidant, can minimize these negative effects. A fertilidade de vacas leiteiras tem diminuído nos últimos anos com a intensificação para a produção de leite e os distúrbios metabólicos que ocorrem durante o período de transição têm contribuído para a performance reprodutiva inferior. Durante o período de balanço energético negativo (BEN), há um aumento das concentrações plasmáticas de ácidos graxos não esterificados (NEFA) e corpos cetônicos, como o β-hidroxibutirato (BHBA). Estudos demonstraram que essas alterações têm reflexo no microambiente folicular, ovidutal e uterino bovino. No entanto, os efeitos dos NEFA e do BHBA em células foliculares e gametas não está totalmente elucidado. Portanto, os objetivos desta tese foram avaliar o efeito de concentrações elevadas de BHBA sobre gametas, crescimento folicular e ovulação de bovinos e analisar o efeito do uso de Vitamina E para impedir o estresse oxidativo no sangue e fluido folicular de vacas em BEN. Primeiramente, se investigou os efeitos do BHBA na viabilidade de espermatozoides bovinos. Os resultados demonstraram que altas concentrações de BHBA prejudicam a cinética espermática, sem alterar o status oxidativo e a morfologia das células. Posteriormente, avaliamos se a injeção intrafolicular (IIF) de BHBA compromete o crescimento folicular e a cascata ovulatória, bem como a produção de esteroides e a abundância de genes relacionados a esteroidogênese, estresse oxidativo e de retículo endoplasmático (RE) e de apoptose em células da granulosa. O BHBA diminui o diâmetro do folículo dominante e a taxa de crescimento folicular. No entanto, nesse trabalho não foi observado nenhum efeito prejudicial do BHBA na cascata ovulatória ou na funcionalidade das células da granulosa. Com o objetivo de compreender os efeitos do BHBA na expansão, no status oxidativo e no estresse do RE em células do cumulus de bovinos e na taxa de maturação nuclear e clivagem do oócito foi desenvolvido o terceiro experimento. Os resultados desse estudo indicam que o BHBA induz estresse de RE em células do cumulus até as 12 h de MIV, sem comprometer as demais variáveis analisadas. Para avaliar o efeito do uso parenteral de vitamina E para prevenir o estresse oxidativo no sangue e fluido folicular de vacas em BEN, nós realizamos o último trabalho incluído nessa tese. Os resultados demonstraram que a concentração de vitamina E no sangue e no fluido folicular foi maior nas vacas que receberam o antioxidante em comparação com as que não receberam Vitamina E. Os resultados demonstraram que os animais que não receberam antioxidante tiveram maior produção de ROS no fluido folicular comparado aos animais tratados com 1000 UI de Vitamina E, demonstrando a eficácia do antioxidante. A partir dos dados obtidos com essa tese foi possível determinar que o BHBA possui efeitos deletérios sobre os gametas e células foliculares e que a utilização de alternativas antioxidantes pode minimizar esses efeitos.