Toxicological ReviewToxicological ReviewТоксикологический вестник0869-7922Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman64150010.47470/0869-7922-2023-31-1-47-53Research methods in toxicology and analytical chemistryМетоды исследований в токсикологии и аналитической химииUse of bovine spermatozoa as a rapid test for mitochondrial toxicity of T-2-toxin and deltamethrinИспользование сперматозоидов быка как экспресс-тест на митохондриальную токсичность Т-2-токсина и дельтаметринаhttps://orcid.org/0000-0002-8277-3941ValiullinLenar RashidovichВалиулинЛенар Рашидович
Russian Federation

Кандидат биол. наук, заведующий сектором питательных сред и культур клеток ФГБНУ «Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности», 420075, г. Казань, Российская Федерация. 

е-mail: valiullin27@mail.ru

valiullin27@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6321-6130TimerbulatovaLeysan MaratovnaТимербулатоваЛейсан Маратовна
Russian Federation

Post-graduate student Kazan (Volga region) Federal University, 420008, Kazan, Russian Federation.

e-mail: L_Z_93@mail.ru

 

Аспирант ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», 420008, г. Казань, Российская Федерация.

e-mail: L_Z_93@mail.ru

l_z_93@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9691-2009EgorovVladislav IvanovichЕгоровВладислав Иванович
Russian Federation

Кандидат биол. наук, ассистент кафедры таксации и экономики лесной отрасли ФГБОУ ВО «Казанский государственный аграрный университет», 420015, г. Казань, Российская Федерация.

е-mail: vladislav.e@inbox.ru

vladislav.e@inbox.ruZaripovFannur RafkhatovichЗариповФаннур Рафхатович
Russian Federation

Генеральный директор Акционерного общества «Головное племенное предприятие "Элита"», 422701, село Высокая Гора, Высокогорский район, Республика Татарстан, Российская Федерация.

е-mail: fannur.zaripov@elitaplem.ru

fannur.zaripov@elitaplem.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5279-2623RaginovIvan SergeevichРагиновИван Сергеевич
Russian Federation

Доктор мед. наук, старший научный сотрудник сектора гистологических исследований ФГБНУ «Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности», 420075, г. Казань, Российская Федерация; заведующий отделением патологоанатомии ГАУЗ «Республиканская клиническая больница Министерства здравоохранения Республики Татарстан», 420138, Казань, Российская Федерация.

е-mail: raginovi@inbox.ru

raginovi@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7932-1445NabatovAleksey AnatolevichНабатовАлексей Анатольевич
Russian Federation

Доктор биол. наук, доцент ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, 420012, Казань, Российская Федерация.

е-mail: Nabatovalex@hotmail.com

nabatovalex@hotmail.comFederal Center for Toxicological, Radiation and Biological SafetyФГБНУ «Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности»Kazan (Volga region) Federal UniversityФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»Kazan State Agrarian UniversityФГБОУ ВО «Казанский государственный аграрный университет»JSC "Head breeding enterprise "Elite"АО «Головное племенное предприятие "Элита"»Republican Clinical Hospital of the Ministry of Health of the Republic of TatarstanГАУЗ «Республиканская клиническая больница Министерства здравоохранения Республики Татарстан»Kazan State Medical University of the Ministry of Health of the Russian FederationФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации23022023311475304112024Copyright ©; 2023, Valiullin L.R., Timerbulatova L.M., Egorov V.I., Zaripov F.R., Raginov I.S., Nabatov A.A.Copyright ©; 2023, Валиулин Л.Р., Тимербулатова Л.М., Егоров В.И., Зарипов Ф.Р., Рагинов И.С., Набатов А.А.2023Valiullin L.R., Timerbulatova L.M., Egorov V.I., Zaripov F.R., Raginov I.S., Nabatov A.A.Валиулин Л.Р., Тимербулатова Л.М., Егоров В.И., Зарипов Ф.Р., Рагинов И.С., Набатов А.А.https://journals.eco-vector.com/0869-7922/article/view/641500

Introduction. The testing for mitochondrial dysfunction has become routine assay for drug and cosmetics safety evaluation. Mitochondria are targets of many pharmaceutical and therapeutic agents that can damage them and lead to changes in morphology and function. Spermatozoa have one of the highest ratios of mitochondria to body size, they lack the cytoplasm between the mitochondria and the plasma membrane, which makes them a good potential model for a rapid test on mitochondrial toxicity.

The aim of our work — assessment of motility and mitochondrial membrane potential of bovine spermatozoa Bos taurus taurus in the presence of T-2-toxin and deltamethrin.

Material and methods. T-2-toxin and deltamethrin were used as toxins. The main parameters studied were the level of mitochondrial potential (using the MitoTracker™ Green FM dye), sperm motility and their relationship.

Results. We found a strong correlation between the motility of bovine spermatozoa and the mitochondrial potential of their mitochondria (R>0.87; p<0.05). The mitochondrial toxicity of deltamethrin has been confirmed, although to a much lesser extent than that of the T-2-toxin. In addition, certain patterns were found in the distribution of active zones of the mitochondrial potential in bull spermatozoa.

Conclusion. Using deltamethrin and T-2-toxin in this study, it was shown that the sperm cells of bulls and their mitochondrial potential can be used as an express test for mitochondrial toxicity.

Limitations. Determination of the mitochondrial potential of the studied spretamotozoa using the MitoTracker™ dye was rather of a qualitative nature, reflecting not so much the level of the mitochondrial potential but the number of spermatozoa that have the potential sufficient to initiate the luminescence of the dye.

Compliance with ethical standards. The study doesn’t require the submission of the opinion of the biomedical ethics committee or other documents.

Author contribution: Valiullin L.R., Egorov V.I., Raginov I.S. — concept and design of the study, statistical analysis; Zaripov F.R. — collection and processing of material; Nabatov A.A. — concept and design of the study, writing the text; Timerbulatova L.M. — collection and processing of material, editing. All co-authors — approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Acknowledgment. Authors express gratitude to D.V. Samigullin for providing the necessary confocal microscopy facilities to carry out this work. 

Conflict of interest. Authors declare no conflict of interest.

Funding. The research was carried out with the financial support of the Federal State Budgetary Institution "Federal Research Center "Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences".

Received: September 02, 2022 / Accepted: January 2023 / Published: February 28, 2023

Введение. Современные требования по внедрению лекарственных препаратов в клиническую практику включают тест на митохондриальную токсичность. Митохондрии являются мишенями многих фармацевтических и терапевтических средств, которые могут их повредить и привести к изменениям в морфологии и функции. Сперматозоиды имеют одно из самых больших соотношений митохондрий к размеру тела, у них отсутствует цитоплазма между митохондриями и плазматической мембраной, поэтому они являются хорошей потенциальной моделью для экспресс-теста на митохондриальную токсичность.

Цель работы – оценка подвижности и митохондриального мембранного потенциала бычьих сперматозоидов Bos taurus taurus в присутствии  Т-2-токсина и дельтаметрина. 

Материал и методы. В качестве токсинов использовался Т-2-токсин и дельтаметрин. Основными изучаемыми параметрами были уровень митохондриального потенциала (с помощью красителя MitoTracker™ Green FM), подвижность сперматозоидов и их взаимосвязь.

Результаты. Обнаружено, что между подвижностью сперматозоидов быка и митохондриальным потенциалом их митохондрий существует сильная корреляция (R > 0,87; p < 0,05). Была подтверждена митохондриальная токсичность дельтаметрина, хотя и в гораздо меньшей степени, чем у Т-2-токсина. Кроме того, были обнаружены определенные закономерности в распределении активных зон митоходриального потенциала у сперматозоидов быка.

Заключение. С помощью дельтаметрина и Т-2-токсина в данном исследовании было показано, что сперматозоиды быков и их митохондриальный потенциал могут быть использованы в качестве экспресс-теста на митохондриальную токсичность.

Ограничения исследования. Определение митохондриального потенциала изучаемых сперматозоидов с помощью красителя MitoTracker™ имело скорее качественный характер, отражая не столько уровень собственно потенциала, сколько количество сперматозоидов, имеющих потенциал достаточный для инициации свечения красителя.

Участие авторов: Валиуллин Л.Р., Егоров В.И., Рагинов И.С. — концепция и дизайн исследования, статистический анализ; Зарипов Ф.Р. — сбор и обработка материала; Набатов А.А. — концепция и дизайн исследования, написание текста; Тимербулатова Л.М. — сбор и обработка материала, редактирование. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Благодарность. Авторы выражают благодарность Д.В. Самигуллину за предоставление необходимых средств для конфокальной микроскопии для проведения этого исследования.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке ФГБУН «Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук"».

Поступила в редакцию: 02 сентября 2022 / Принята в печать: 2023 / Опубликована: 28 февраля 2023

mycotoxinssecondary metabolitesT-2-toxinmitochondrial toxicityspermatozoaмикотоксинывторичные метаболитыТ-2-токсинмитохондриальная токсичностьсперматозоидыDykens J.A., Will Y. The significance of mitochondrial toxicity testing in drug development. Drug Discov Today. 2007; 17: 777–85.Piomboni P., Focarelli R., Stendardi A., Ferramosca A., Zara V. The role of mitochondria in energy production for human sperm motility. Int J Androl. 2012; 35(2): 109–24.Marchetti C., Obert G., Deffosez A., Formstecher P., Marchetti P. Study of mitochondrial membrane potential, reactive oxygen species, DNA fragmentation and cell viability by flow cytometry in human sperm. Hum Reprod. 2002; 17(5): 1257–65.Rowe M., Laskemoen T., Johnsen A., Lifjeld J.T. Evolution of sperm structure and energetics in passerine birds. Proc. R. Soc. 2013; 280(1753): 2012–16.Dohnal V., Jezkova A., Jun D., Kuca K. Metabolic pathways of T-2 toxin. Curr Drug Metab. 2008; 9(1): 77–82.Li Y., Wang Z., Beier R.C., Shen J., De Smet D., De Saeger S., Zhang S. T-2 toxin, a trichothecene mycotoxin: review of toxicity, metabolism, and analytical methods. J Agric Food Chem. 2011; 59(8): 3441–53.Fried H.M., Warner J.R. Cloning of yeast gene for trichodermin resistance and ribosomal protein L3. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1981; 78: 238.Rocha O., Ansari K., Doohan F.M. Effects of trichothecene mycotoxins on eukaryotic cells: a review. Food Addit Contam. 2005; 22(4): 369–78.Yuan P., Zhang H., Cai C., Zhu S., Zhou Y., Yang X., He R., Li C., Guo S1, Li S., Huang T., Perez-Cordon G., Feng H., Wei W. Chondroitin sulfate proteoglycan 4 functions as the cellular receptor for Clostridium difficile toxin B. Cell Res. 2015; 25(2): 157–68.Kovács M., Tornyos G., Matics Z., Kametler L., Rajli V., Bodnár Z., Kulcsár M., Huszenicza G., Keresztes Z., Cseh S. Subsequent effect of subacute T-2 toxicosis on spermatozoa, seminal plasma and testosterone production in rabbits. Animal. 2011; 5(10): 1563–9.Alm H., Greising T., Brussow K.P., Torner H., Tiemann U. The influence of the mycotoxins deoxynivalenol and zearalenol on in vitro maturation of pig oocytes and in vitro culture of pig zygotes. Toxicol. In Vitro. 2002; 16: 643–8.Bouaziz C., Martel C., Sharaf el dein O., Abid-Essefi S., Brenner C., Lemaire C., Bacha H. Fusarial toxin-induced toxicity in cultured cells and in isolated mitochondria involves PTPC-dependent activation of the mitochondrial pathway of apoptosis Toxicol Sci. 2009; 110(2): 363–75.Wu J., Jing L., Yuan H., Peng S.Q. T-2 toxin induces apoptosis in ovarian granulosa cells of rats through reactive oxygen species-mediated mitochondrial pathway. Toxicol Lett. 2011; 202(3): 168–77.Liu J., Wang L., Guo X., Pang Q., Wu S., Wu C., Xu P., Bai Y. The role of mitochondria in T-2 toxin-induced human chondrocytes apoptosis. PLoS One. 2014; 9(9): 108394.Fang H., Wu Y., Guo J., Rong J., Ma L., Zhao Z., Zuo D., Peng S. T-2 toxin induces apoptosis in differentiated murine embryonic stem cells through reactive oxygen species-mediated mitochondrial pathway. Apoptosis. 2012; 17(8): 895–907.Kung T.S., Richardson J.R., Cooper K.R., White L.A. Developmental Deltamethrin Exposure Causes Persistent Changes in Dopaminergic Gene Expression, Neurochemistry, and Locomotor Activity in Zebrafish. Toxicol Sci. 2015; 146(2): 235–43.Lu M., Zhao X., Yuan D., Xu D., Yao P., Ji W., Chen H., Liu W., Yan C., Xia Y., Li S., Tao J., Ma Q. Mitochondrial Dysfunction in Neural Injury. Front. Neurosci. 2019; 13: 30.Chen H., Mc-Caffery J.M., Chan D.C. Mitochondrial fusion protects against neurodegeneration in the cerebellum. Cell. 2007; 130(3): 548–62.Braguini W.L., Cadena S.M., Carnieri E.G., Rocha M.E., de Oliveira M.B. Effects of deltamethrin on functions of rat liver mitochondria and on native and synthetic model membranes. Toxicol Lett. 2004; 152(3): 191–202.Bavister B.D., Andrews J.C. A rapid sperm motility bioassay procedure for quality-control testing of water and culture media. J In Vitro Fert Embryo Transf. 1988; 5(2): 67–75.Sousa A.P., Amaral A., Baptista M., Tavares R., Campo P.C., Peregrín P.C., Freitas A., Paiva A., Almeida-Santos T., Ramalho-Santos J. Not All Sperm Are Equal: Functional Mitochondria Characterize a Subpopulation of Human Sperm with Better Fertilization Potential. PLoS One. 2011; 6(3): 18112.Storey B.T. Mammalian sperm metabolism: oxygen and sugar, friend and foe. Int J Dev Biol. 2008; 52: 427–37.Lord T., Nixon B. Metabolic Changes Accompanying Spermatogonial Stem Cell Differentiation. Dev Cell. 2020; 52: 399–411.Higginson D.M., Pitnick S. Evolution of intra-ejaculate sperm interactions: do sperm cooperate? Biol Rev Camb Philos Soc. 2011; 86: 249–270.Ramon M., Jimenez-Rabadan P., Garcia-Alvarez O., Maroto-Morales A., Soler A.J., Fernandez-Santos M.R., Perez-Guzman M.D., Garde J.J. Understanding sperm heterogeneity: biological and practical implications. Reprod Domest Anim. 2014; 49(4): 30–6.Allen J.A., Shankara T., Janus P., Buck S., Diemer T., Hales K.H., Hales D.B., Energized, polarized, and actively respiring mitochondria are required for acute Leydig cell steroidogenesis. Endocrinology. 2006; 147: 3924–35.Midzak A.S., Chen H., Aon M.A., Papadopoulos V., Zirkin B.R. ATP synthesis, mitochondrial function, and steroid biosynthesis in rodent primary and tumor Leydig cells. Biol Reprod. 2011; 84: 976–85.Fumel B., Roy S., Fouchecourt S., Livera G., Parent A.S., Casas F., Guillou F. Depletion of the p43 mitochondrial T3 receptor increases Sertoli cell proliferation in mice. PLoS One. 2013; 8: e74015.Gong Y., Zhang Z., Chang Z., Zhou H., Zhao R., He B. Inactivation of glycogen synthase kinase-3alpha is required for mitochondria-mediated apoptotic germ cell phagocytosis in Sertoli cells. Aging (Albany NY). 2018; 10: 3104–16.Varuzhanyan G., Chan D.C. Mitochondrial dynamics during spermatogenesis. J Cell Sci. 2020; 133.