Effects of the volatile organic compounds over the human pre-embryo development

Resumen

RESÚMEN. La contaminación ambiental produce una gran variedad de efectos negativos en la salud humana, dentro de los cuales se incluyen diferentes problemas reproductivos. En lo que respecta a la reproducción asistida existen aún muchos vacíos en cuanto a las interacciones que los compuestos puedan tener con diferentes tipos de células, gametos y embriones, los cuales son manipulados a diario través de diferentes técnicas dentro de los laboratorios de fecundación in vitro (FIV). Así mismo, la calidad del aire de estos laboratorios depende de las personas, actividades y elementos presentes dentro y fuera del laboratorio, por lo cual existe un riesgo constante de contaminación que puede ocasionar daños a corto y largo plazo. Gracias a la experiencia empírica, estudios en modelos animales y estudios retrospectivos, se han podido identificar y describir algunos de los contaminantes presentes dentro del laboratorio de FIV y así mismo, proponer mecanismos con los que se ha logrado contrarrestar los efectos que estos producen sobre el desarrollo embrionario y los resultados clínicos (tasas de implantación, embarazo y natalidad, entre otros), a través del desarrollo de sistemas de filtración que pueden ser muy eficientes. Muchos de los estudios también enfatizan en lo difícil que es eliminar ciertos contaminantes, ya que algunos de ellos se producen dentro del mismo laboratorio de FIV. Sin embargo, se necesitan más estudios prospectivos sobre las interacciones específicas entre compuestos y gametos o embriones humanos como la Inducción de estrés oxidativo, efectos negativos sobre las membranas y organelos, y también efectos deletéreos sobre el ADN, entre otros. Durante el desarrollo de esta tesis se ha llevado a cabo un plan de ensayos enfocado en determinar los efectos específicos de dos de los compuestos orgánicos volátiles (COVs) más frecuentemente encontrados dentro del laboratorio de FIV, sobre el desarrollo de embriones humanos. El plan de estudio de dividió en tres partes: la primera se centró en analizar las caracterizaciones de calidad de aire de las clínicas IVI en las que se valoró cuáles compuestos eran encontrados con mayor frecuencia dentro del laboratorio de FIV. La segunda parte se enfocó en un estudio comparativo de las tasas de desarrollo embriones de un grupo control y embriones expuestos a uno de los dos contaminantes (Benceno y Limoneno), evaluando además la tasa de expansión y la morfología de los mismos. Finalmente, en la tercera parte del estudio se determinó el cariotipo y el contenido de ADN mitochondrial de los embriones que se desarrollaron. Los resultados permitieron determinar que la presencia de Benceno y Limoneno, directamente diluídos en el medio de cultivo embrionario, sí producen efectos deletéreos sobre el desarrollo de los embriones posiblemente por mecanismos relacionados a su metabolismo y por estrés oxidativo, que también puede influir en los errores cromosómicos encontrados principalmente tras la exposición a Benceno. Estos resultados son de particular importancia ya que hasta el momento éste es el único estudio que aborda, a través de parámetros morfológicos y cromosómicos, las implicaciones de la presencia de compuestos orgánicos volátiles en el aire ambiental de los embriones humanos. RESUM La contaminació ambiental produeix una gran varietat d'efectes negatius en la salut humana, dins dels quals s'inclouen diferents problemes reproductius. Pel que fa a la reproducció assistida existeixen encara molts buits pel que fa a les interaccions que els compostos puguin tenir amb diferents tipus de cèl·lules, gàmetes i embrions, els quals són manipulats diàriament través de diferents tècniques dins dels laboratoris de fecundació in vitro (FIV). Així mateix, la qualitat de l'aire d'aquests laboratoris depèn de les persones, activitats i elements presents dins i fora del laboratori, per la qual cosa hi ha un risc constant de contaminació que pot ocasionar danys a curt i llarg termini. Gràcies a l'experiència empírica, estudis en models animals i estudis retrospectius, s'han pogut identificar i descriure alguns dels contaminants presents dins el laboratori de FIV i així mateix, proposar mecanismes amb els quals s'ha aconseguit contrarestar els efectes que aquests produeixen sobre el desenvolupament embrionari i els resultats clínics (taxes d'implantació, embaràs i natalitat, entre d'altres), a través del desenvolupament de sistemes de filtració que poden ser molt eficients. Molts dels estudis també emfatitzen en la dificultat a l’hora d’eliminar certs contaminants, ja que alguns d'ells es produeixen dins del mateix laboratori de FIV. No obstant això, es necessiten més estudis prospectius sobre les interaccions específiques entre compostos i gàmetes o embrions humans com la inducció d'estrès oxidatiu, efectes negatius sobre les membranes i orgànuls, i també efectes deleteris sobre l'ADN, entre d'altres. Durant el desenvolupament d'aquesta tesi s'ha dut a terme un pla d'assajos enfocat a determinar els efectes específics de dos dels compostos orgànics volàtils (COV) més freqüentment trobats dins del laboratori de FIV, sobre el desenvolupament d'embrions humans. El pla d'estudi es va dividir en tres parts: la primera es va centrar en analitzar les caracteritzacions de qualitat d'aire de les clíniques IVI en què es va valorar quins compostos eren trobats amb més freqüència dins del laboratori de FIV. La segona part es va enfocar en un estudi comparatiu de les taxes de desenvolupament embrions d'un grup de control i embrions exposats a un dels dos contaminants (benzè i limonè), avaluant a més la taxa d'expansió i la morfologia dels mateixos. Finalment, en la tercera part de l'estudi es va determinar el cariotip i el contingut d'ADN mitocondrial dels embrions que es van desenvolupar. Els resultats van permetre determinar que la presència de benzè i limonè, directament diluïts en el medi de cultiu embrionari, sí produeixen efectes deleteris sobre el desenvolupament dels embrions possiblement per mecanismes relacionats amb el seu metabolisme i per estrès oxidatiu, que també pot influir en els errors cromosòmics trobats principalment després de l'exposició a benzè. Aquests resultats són de particular importància ja que fins al moment aquest és l'únic estudi que aborda, a través de paràmetres morfològics i cromosòmics, les implicacions de la presència de compostos orgànics volàtils en l'aire ambiental dels embrions humans. SUMMARY. Environmental pollution produces a wide range of negative effects on human health, including different reproductive problems. As far as assisted reproduction is concerned, there are still many gaps in the interactions that the compounds may have with different types of cells, gametes and embryos, which are manipulated daily through different techniques within the in vitro fertilization laboratories (IVF). Likewise, the air quality of these laboratories depends on the people, activities and elements present inside and outside the laboratory, for which there is a constant risk of contamination that can cause short and long term embryo development failures. Thanks to the empirical experience, studies in animal models and retrospective studies, it has been possible to identify and describe some of the pollutants present in the IVF laboratory and also, to propose mechanisms to counteract the effects they produce on the embryo development and clinical outcomes (rates of implantation, pregnancy and birth, among others), mainly through the development of filtration systems that can be very efficient. However, many of the studies also emphasize on how difficult it is to eliminate certain contaminants, since some of them are produced within the same IVF laboratory. Despite the known information available, further prospective studies are needed in order to evaluate specific interactions between compounds and human gametes or embryos such as induction of oxidative stress, negative effects on membranes and organelles, as well as deleterious effects on DNA, among others. During the development of this thesis, a test plan has been carried out focused on determining the specific effects of two of the most frequently encountered volatile organic compounds (VOCs) within the IVF laboratory. The study complied three parts: the first focused on analyzing the air quality characterizations of the IVI clinics, to assess which compounds were most frequently found within the IVF laboratory. The second part focused on a comparative study of the developmental rates of embryos of a control group and embryos exposed to one of the two contaminants (Benzene and Limonene), also evaluating the rate of expansion and the morphology of the groups. Finally, in the third part of the study, the karyotype and the mitochondrial DNA content of the embryos were determined. The results allowed to determine that, the presence of benzene and limonene directly diluted in the embryonic culture medium can produce deleterious effects on the development of the embryos, possibly by mechanisms related to its metabolism and by oxidative stress, which can also influence the chromosomes errors, found mainly after exposure to benzene. These results are of particular interest since, to date, this is the only study that addresses through morphological and chromosomal parameters, the implications of the presence of volatile organic compounds in the environmental air of human embryos.