UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS CAMPUS JATAÍ TCCG – GRADUAÇÃO EM MEDICINA VETERINÁRIA PRODUÇÃO IN VITRO DE EMBRIÕES BOVINOS Markis Suel Moraes Borges Orientador: Prof. M.Sc. Marco Antônio de Oliveira Viu JATAÍ 2008 ii MARKIS SUEL MORAES BORGES PRODUÇÃO IN VITRO DE EMBRIÕES BOVINOS Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação apresentado para a obtenção do título de Médico Veterinário junto à Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí. Área de Concentração: Reprodução Animal JATAÍ 2008 iii MARKIS SUEL MORAES BORGES Trabalho de conclusão de Curso de graduação defendido e aprovado em 16 de dezembro de 2008, pela seguinte Banca Examinadora: Prof. M.Sc. Marco Antônio de Oliveira Viu Presidente da banca Prof. M.Sc. Henrique Trevizoli Ferraz Membro da banca M.Sc. Dyomar Toledo Lopes Membro da banca iv AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a DEUS pelo Dom da Vida e a Sabedoria que me destes, e pelas forças para enfrentar as dificuldades de cada dia. Aos meus pais Marzy Borges e Ilceni Moraes, por quem sou eternamente grato por tudo que fizeram e que fariam se fosse preciso. Simplesmente não existem palavras para expor tal sentimento. Aos meus irmãos, Renata e Mário, que sempre estiveram presentes em todos os momentos e, de uma maneira ou de outra, me apoiaram em todas as minhas escolhas. Aos meus familiares que estiveram presentes em bons momentos pelos quais passei, principalmente minhas avós Adelina (Mocica) e Maria. A todos os meus tios e primos, Carlos (Tucano), Rodrigo, Fernando, Kleber, Nelimar, Nélio (Milico), Cesa (in memmorian), minha prima Stephania, Luana, minha querida sobrinha (Giovanna). Ao meu cunhado Roberto e àqueles que não citei aqui, pois foram eles que me influenciaram diretamente na escolha da minha profissão. Aos meus amigos da República Pinga Porca (Peroba, Irapuã, Biba, Trocin, Tropeço) e da República Overgole (Espiga-Companheiro), Apolo (Zezin), Taberai, Vespa, Sapin, Digão, Coro e o Porquim, onde passei a maior parte das minhas folgas, tomando tereré e jogando conversa fora, mas sem beber é claro. Aos professores que tiveram uma enorme paciência para nos lhe ensinar durante a minha formação. Aos meus amigos de sala de aula, com os quais tenho certeza que posso contar com eles sempre que necessário. Aos pesquisadores da Embrapa – Cenargen, pelos conhecimentos passados e, principalmente, ao pesquisador Dr. Roberto Sartori, por me supervisionar no estágio curricular. Aos funcionários da fazenda Sucupira, Dona Lia Nita, Teco, Milton, Expedito, Tim, Zidane, Japão, Weber, Pele, Rambinho, Zezão e Chicão, Urias e Dona Zerfa, pessoas de coração enorme, pelos momentos de alegria e aprendizado que tive. v Aos mestrados e estagiários da fazenda que me agüentaram no alojamento com minhas brincadeiras e também por compartilhar seus conhecimentos. vi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................... 1 2 DESCRIÇÃO DO CAMPO DE ESTÁGIO...................................... 3 3 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS................................................. 5 3. 1 Aspiração folicular intravaginal...................................................... 5 3. 2 Obtenção de ovários de abatedouros............................................ 6 3. 3 Maturação in vitro (MIV)................................................................. 7 3. 4 Fecundação in vitro (FIV).............................................................. 8 3. 5 Cultivo in vitro de embriões........................................................... 10 4 REVISÃ0 DE LITERATURA.......................................................... 11 4.1 Produção in vitro de embriões bovinos.......................................... 11 4. 1. 1 Etapas da produção in vitro de embriões...................................... 12 4. 1. 2 Obtenção de oócitos imaturos para PIV........................................ 12 4. 1. 3 Maturação in vitro de oócitos......................................................... 15 4. 1. 4 Fecundação in vitro....................................................................... 21 4. 1. 4. 1 Gradiente de percoll...................................................................... 23 4. 1. 5 Cultivo in vitro de embriões........................................................... 24 5 DISCUSSÃO.................................................................................. 28 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................... 32 REFERÊNCIAS............................................................................. 33 ANEXOS........................................................................................ 40 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1 Vista aérea do prédio da administração e da PIV - Fazenda Sucupira............................................................................................ Figura 2 4 Aspiração do líquido folicular de ovário bovino oriundo de abatedouro...................................................................................... 6 Figura 3 Tubo cônico contendo líquido folicular aspirado............................. 6 Figura 4 Placa de petri com gotas de meio MIV cobertas com óleo mineral 7 Figura 5 Estufas de Maturação de oócitos e Cultivo embrionário................. 8 Figura 6 Fecundação in vitro de oócitos bovinos.......................................... 9 Figura 7 Embriões bovinos produzidos a partir de oócitos maturados, fecundados e cultivados in vitro........................................................ Figura 8 Figura 9 10 Oócitos de bovinos imaturos, logo após a aspiração dos folículos ovarianos, apresentando células do cumulus compactas................. 14 Estrutura de um folículo ovariano na espécie bovina...................... 15 Figura 10 Ovócitos de bovinos maturos, após 22 horas de maturação in vitro, apresentando expansão das células do cumulus.................. 17 Figura 11 Distribuição dos segmentos do sêmen nas diferentes camadas de Percoll® após centrifugação........................................................ 23 viii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS BBGA Banco Brasileiro de Germoplasma Animal BSA Albumina sérica bovina CAP Meio de capacitação CENARGEN Centro Nacional de Recursos Genéticos CES Campo Experimental Sucupira CT Centro de treinamento CCO Complexo cumulus oophurus FEC Meio de fecundação FISH Hibridação in situ por fluorescência FSH Hormônio folículo estimulante G Gauge IA Inseminação artificial IETS Sociedade Internacional de transferência de embriões LAV Meio de lavagem LH Hormônio Luteinizante MIV Maturação in vitro OPU Ovum Pick-up PBS Solução fosfato salina tamponada PHE Penicilina, hipotaurina e epinefrina PIV Produção in vitro de Embriões SOF Fluido sintético de oviduto SFB Soro fetal bovino TCM 199 Meio base para cultivo de tecido VIP Peptídeo intestinal vasoativo ZP Zona pelúcida ix ANEXOS Anexo 1 Meio para maturação de oócitos......................................................... 41 Anexo 2 Gradientes de Percoll.......................................................................... 43 Anexo 3 Meios de capacitação e fecundação................................................... 44 Anexo 4 Meios de Cultivo.................................................................................. 46 1 INTRODUÇÃO A IA em bovinos foi o primeiro passo para acelerar a transferência de características desejáveis, permitindo a disseminação de genes de machos considerados superiores e a melhoria do nível zootécnico dos rebanhos. Um touro em regime de coleta pode produzir milhares de bezerros durante sua vida produtiva, enquanto, no mesmo período, uma fêmea não é capaz de produzir mais do que de oito a dez bezerros. Assim sendo, o possível ganho genético obtido pela linhagem materna era extremamente limitado. Com o desenvolvimento de técnicas de reprodução assistida em animais ocorreu um grande avanço na otimização e multiplicação de fêmeas de interesse não só para a produção animal, mas também para a conservação e regeneração de espécies animais em perigo de extinção (DODE & RUMPF, 2002). A TE proporciona um melhor aproveitamento de matrizes de elevado mérito genético, podendo aumentar, em média, dez vezes o número de crias por ano. Com o advento da PIV, esse potencial de multiplicação se torna ainda maior. A aspiração de oócitos imaturos diretamente dos folículos ovarianos, associada à maturação, fecundação, e cultivo in vitro destes embriões, permite que sejam produzidas, em média, 36 crias por ano oriundas de uma única fêmea. Além disso, somente com o estabelecimento da PIV é que técnicas como a clonagem por transferência nuclear, a injeção intracitoplasmática de espermatozóides e a transgenia podem ser aprimoradas e utilizadas (RUMPF et al., 2000). Embriões produzidos in vitro são aqueles produzidos pela manipulação de gametas fora do organismo materno. Essa técnica, inicialmente, se resumia à FIV. Entretanto, após o nascimento do primeiro bezerro, em 1981, foram obtidos avanços consideráveis (BRACKETT et al., 1982). Atualmente, essa tecnologia se refere à combinação de vários processos interdependentes, que vão desde a obtenção dos oócitos imaturos à transferência dos embriões para as fêmeas receptoras, que levarão a gestação a termo. Essa biotécnica surge como uma nova opção para a multiplicação animal, não só pelo seu potencial, mas também porque abre a possibilidade de utilizar em animais jovens, gestantes ou lactantes e com problemas de infertilidade adquiridos. Sendo que a utilização de bezerras como doadoras de oócitos em programas de TE oferece um potencial 2 considerável para acelerar o ganho genético pela de redução do intervalo entre gerações (TANEJA et al., 2000). Hoje a PIV pode ser considerada uma técnica estabilizada. Estima-se que mais de 200.000 bezerros tenham nascido a partir dessa técnica, quando associada à aspiração folicular. Números como 50 bezerros a partir de uma única doadora são obtidos, relativamente, sem extremas dificuldades (RUMPF, 2007). Em muitos países a PIV somente é utilizada como última opção para a obtenção de embriões, quando a recuperação pela lavagem uterina é inviável. No Brasil, no entanto, a PIV é muitas vezes a primeira opção para a multiplicação de animais de interesse zootécnico e/ou comercial, e isto certamente tem relação com predomínio da raça Nelore no plantel nacional (SENEDA et al., 2006), uma vez que esses animais geralmente possuem maior número de folículos recrutados por onda. Diante disso é possível observar a importância da técnica na reprodução do rebanho nacional, principalmente no gado de elite. 3 2 DESCRIÇÃO DO CAMPO DE ESTÁGIO O Estágio Supervisionado Obrigatório do Curso de Medicina Veterinária da Universidade Federal de Goiás – UFG – foi realizado na EMBRAPA – CENARGEN (Centro Nacional de Recursos Genéticos), no período de 03 de junho a 15 de agosto de 2008, perfazendo um total de 480 horas. No decorrer desse tempo foi possível acompanhar alguns experimentos e inteirar-se da rotina do CES. O CES localiza-se entre o Riacho Fundo I e o Recanto das Emas, dentro do Distrito Federal. A fazenda possui uma área de aproximadamente 1.180 hectares e é constituída de dois laboratórios (Laboratório do Macho e da Fêmea) onde são desenvolvidos experimentos na área de biotecnologia ligados à reprodução animal, tais como: produção in vitro de embriões, coleta e congelamento de sêmen, transferência de embriões, dentre outros. Em parceria nos estudos, a Embrapa – Cenargen, situada no final da W3 norte (Plano Piloto – DF), desenvolve outras áreas de pesquisa relacionadas também à biotecnologia animal, como por exemplo: clonagem animal, biologia molecular, etc. O BBGA é uma linha de pesquisa que tem como principal objetivo preservar raças brasileiras de animais que estão ameaçadas de extinção. Na espécie bovina encontram-se nessa situação as raças Junqueira, Crioula Lageana, Curraleira e Pantaneira. Já as raças Piau-Açu, Casco-de-Mula, Tatuí, Rabo-de-Peixe, Monteiro e Caruncho são exemplares da espécie suína. Os caprinos das raças Canindé, Mochotó, Repartida, Cabra Azul e Nambi completam a lista de animais que compõe o BBGA. A biotecnologia neste caso é usada como uma ferramenta de preservação, ao contrário das outras linhas de pesquisas que, visam principalmente, o melhoramento genético animal. O meu estágio curricular obrigatório era supervisionado pelo Dr. Roberto Sartori Filho pesquisador da EMBRAPA, na área de biotecnologia animal. Os pesquisadores da Embrapa utilizam as dependências da Fazenda Sucupira para ministrar aulas práticas, realizar cursos e para desenvolver projetos de pesquisa através de seus orientados de mestrado e doutorado. 4 FIGURA 1 – Vista aérea do prédio da administração e da PIV - Fazenda Sucupira/EMBRAPA - CENARGEN 5 3 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS O CES possui uma rotina semanal (geralmente de segunda à sextafeira), com carga horária de oito horas por dia. Durante o estágio foram desenvolvidas diversas atividades no Laboratório do Macho, conhecido também como CT, e no Laboratório da Fêmea, além do acompanhamento do manejo da fazenda. Dentre as atividades desenvolvidas no laboratório do macho foram acompanhadas coleta e congelamento de sêmen bovino, coleta de sêmen em ovinos,exame/avaliação andrológico em bovinos e ovinos e coleta de embriões. No laboratório da fêmea pôde-se acompanhar coleta de embriões em bovinos, inovulação de embriões em vacas, busca e classificação de embriões bovinos, diagnóstico de gestação por palpação retal e ultra-sonografia, treinamento em vacas e éguas, coleta de ovários em abatedouros, produção in vitro de embriões, protocolos de superovulação, sincronização do ciclo estral e avaliação da dinâmica folicular em vacas e éguas, lavagem e esterilização de materiais. Dentre as atividades acompanhadas destacaram-se a produção PIV e TE em bovinos. Durante o estágio foram utilizados oócitos provenientes de abatedouros, além de algumas vacas pertencentes ao BBGA adaptadas às condições ambientais e de manejo. 3. 1 Aspiração folicular intravaginal Antes do início do procedimento de punção, as vacas recebiam três mL de lidocaína a 2% (Anestésico Pearson®), via epidural, no espaço sacrococcígeo. O aparelho de aspiração folicular consistiu de um ultra-som portátil (SSD-500, Aloka Co., Tókio) com uma probe setorial convexa de 5,0 MHz, acoplada em um suporte vaginal, equipado com uma guia de aspiração. Os complexos cumulus oophurus (CCO) eram aspirados de todos os folículos visualizados, com auxílio de uma agulha de aspiração (18 gauge) conectada à uma bomba de vácuo de fluxo contínuo (3v 001 - WTA®) acoplada a um tubo cônico de 50 mL estéril, ligado no sistema de vácuo com pressão regulada em < 40 mmHg. A linha de aspiração era constantemente lavada com o meio de lavagem (LAV) composto de 100 µL de heparina – (Liquemine®), 500 µL de soro fetal bovino (SFB - Nutricell®) e q.s.p. 50 mL de solução fosfatada tamponada - PBS (Nutricell®) durante toda a 6 aspiração. O conteúdo dos tubos plásticos de 50 mL era passado em filtro específico (MILLIPORE®). Os CCO`s eram rastreados com auxílio de um estereomicroscópio e transferidos para uma placa com a solução LAV. Apenas os CCOs de qualidade I e II foram selecionados seguindo a metodologia proposta por (GONÇALVES et al., 2002), que utiliza uma escala de I a IV, considerando as características do cumulus e do citoplasma do oócito. 3. 2 Obtenção de ovários de abatedouros Os ovários provenientes de abatedouros foram transportados em soluções de PBS aquecidos a 30-35oC e imediatamente enviados ao Laboratório de Reprodução Animal do CES, em tempo não superior a duas horas após o abate. No laboratório, os ovários eram mantidos em banho-maria a 35oC. Os folículos eram então aspirados com uma agulha acoplada em uma seringa de 20 mL (Figura 2), colocados posteriormente em tubos cônicos de 15 mL (Figura 3). FIGURA 2 - Aspiração do líquido folicular de ovário bovino oriundo de abatedouro FIGURA 3 - Tubo cônico contendo líquido folicular aspirado 7 3. 3 Maturação in vitro (MIV) Os meios utilizados no Laboratório de Reprodução Animal no CES, da maturação ao cultivo, eram fornecidos pela Nutricell® - Nutrientes Celulares Ltda, e também formulados pelo próprio Laboratório de Reprodução Animal do CENARGEN. O meio de maturação (MIV) utilizado era o meio de cultura de tecidos TCM 199 (Anexo 1), com sais de Earle suplementado com 10% de SFB, LH, FSH, L-Glutamina, penicilina e estreptomicina. Os oócitos eram selecionados e separados em grupos de, no máximo, 35 oócitos por gota, lavados duas vezes no meio MIV e em seguida colocados para maturarem em outras placas de petri, sendo posteriormente transferidos para gotas de 150 µL do mesmo meio, coberto com óleo mineral (AMRESCO®) (Figura 4) previamente estabilizado por duas horas em incubadora a 39oC e 5% de CO2. (Figura 5). A maturação se realizava dentro de estufa incubadora com atmosfera de 5% de CO2 em ar, com uma temperatura de 39oC, durante 24 horas. Após esse período os oócitos que maturaram eram identificados visualmente pela expansão das células do cumulus. FIGURA 4 - Placa de petri com gotas de meio MIV cobertas com óleo mineral Fonte: SPEGIORIN (2006) 8 FIGURA 5 - Estufas de maturação de oócitos e Cultivo embrionário 3. 4 Fecundação in vitro (FIV) O laboratório de reprodução animal do CES preconizava o método de gradiente de percoll para FIV descrito abaixo com seu respectivo protocolo. Adicionavam-se 300 µL de meio Sp-TALP 10x definido como Percoll 90% (Anexo 2) em ependorfe de 5,0 mL. A seguir o gradiente de percoll é obtido pela colocação de 1,0 mL de Percoll 90% na parte inferior de um tubo de centrífuga de 15 mL, logo acima colocava-se o mesmo volume de SP-TALP 1x, obtendo o Percoll a 45%. O sêmen era depositado sobre o percoll 45%. O gradiente constituiu de 1,0 mL de percoll 90% sob um mL de percoll 45% (ambos diluídos em meio de capacitação). O sêmen era descongelado em banho-maria a 37oC por 30 segundos. Logo após uma alíquota do sêmen era retirada para avaliação de motilidade progressiva (quantificada em porcentagem) e vigor (escala de 0 a 5) sendo, após isso, cuidadosamente depositado no gradiente previamente estabilizado por duas horas à 39oC e 5% de CO2. O gradiente era então centrifugado a 700 Gauge (G) por 20 minutos a de 30oC. O “pellet” resultante foi retirado e lavado no meio de capacitação (CAP). Para essa finalidade o meio mais utilizado é o Fert-TALP contendo heparina (Anexo 3), sendo novamente centrifugado por mais cinco minutos a 700G. O sobrenadante era retirado e o novo “pellet” era ressuspendido 9 com meio de fecundação previamente estabilizado. Uma amostra do meio contendo o sêmen era separada para nova avaliação de motilidade progressiva e vigor. A concentração espermática era feita com o auxílio de uma câmara de Newbauer (BOECO®), onde 5,0 µL do meio de fecundação contendo sêmen eram diluídos em 95 µL de água destilada, formando uma diluição de 1:20. O FEC era preparado no mesmo dia da FIV, sendo acrescidos de 40 µL de PHE (Penicilamina, Hipotaurina e Epinefrina) e 20 µL heparina para cada 900 µL de meio FEC. O número de ovócitos por gota de FEC permanecia o mesmo do meio MIV. Para a fertilização in vitro o sêmen era diluído, com o meio FIV, até alcançar a concentração de um milhão de espermatozóide vivos/mL. Os oócitos maturados eram lavados duas vezes no meio de fecundação com auxílio de uma micropipeta de 20 µL, antes de serem transferidos para a placa de fecundação previamente estabilizada por duas horas (Figura 6). O volume da gota era de 150 µL sob óleo mineral. A FIV ocorria dentro da estufa incubadora de 5% de CO2 em ar atmosférico a 39oC por 24 horas, sendo considerado o dia da fecundação como o dia zero (D-0). FIGURA 6 - Fecundação in vitro de oócitos bovinos(adaptado de: DODE & RUMPF, 2002) 10 3. 5 Cultivo in vitro de embriões Para o cultivo in vitro o meio utilizado foi o SOF, suplementado com aminoácidos essenciais (glicina, alanina e prolina) e não essenciais (glutamina), tri-citrato de sódio, myoinositol e 10% de soro fetal bovino (SFB). Após o período de fecundação, os prováveis zigotos eram lavados três vezes com meio SOF (Anexo 4) e em seguida eram transferidos para a placa de cultivo previamente estabilizada por duas horas a 39oC e 5% CO2. A clivagem iniciava-se com uma série de divisões mitóticas, por meio das quais o zigoto, que possui uma célula com grande volume, se dividia em numerosas células nucleadas de menor tamanho, chamadas blastômeros, até a formação do blastocisto. Os prováveis zigotos permaneciam em cultivo por sete dias. A avaliação da clivagem era realizada 48 horas após a inseminação. Nesse período, encontra-se embriões com duas, quatro e oito células. As estruturas eram movimentadas com micropipeta fina. Para melhor visualização retiravam-se as estruturas não clivadas da gota. Os aglomerados de células do cumulus aderidos à placa eram removidos utilizando o “vortex”. Entre o dia 7 (D-7) e dia 10 (D-10) para acompanhar o número de mórulas, blastocistos, blastocistos expandidos e blastocisto eclodido (Figura 7). O índice de blastocisto expandido e eclodido era indicativo fundamental para determinar a eficácia do sistema de maturação do oócito, fecundação e desenvolvimento embrionário. FIGURA 7 - Embriões bovinos produzidos a partir de ovócitos maturados, fecundados e cultivados in vitro (adaptado de: DODE & MATTOS, 2002) 11 4 REVISÃO DE LITERATURA 4. 1 Produção in vitro de embriões bovinos O interesse crescente da PIV ocorre, devido a possibilidade de aumentar rapidamente a produção de uma fêmea, visto que os números de produtos obtidos supera o de TE. O aprimoramento das condições de cultivo in vitro bem como das técnicas de recuperação de oócitos in vivo tornaram-se viáveis à aplicação da PIV em escala comercial desde a década de 90 (RUMPF et al., 2000). Atualmente muitos países utilizam a técnica comercialmente. No entanto é no Brasil que se verifica um número surpreendente de embriões gerados a partir deste método. Dentre os principais aspectos relacionados a esta expressiva disseminação da técnica no país, pode-se apontar o domínio da PIV por laboratórios privados e a crescente valorização da raça Nelore (SENEDA & BLASCHI, 2004). A PIV tem sido utilizada, alternativamente, para acelerar a produção de animais geneticamente superiores, uma vez que permite diminuir o intervalo entre gerações e impedir, através da aspiração folicular guiada por ultra-som (AFGUS), o descarte precoce de fêmeas geneticamente privilegiadas que não respondem à superovulação ou que sejam portadoras de infertilidade adquirida (GONÇALVES et al, 2002). No entanto, apesar de muitas pesquisas e estudos, os resultados da técnica ainda não são muito variáveis de um laboratório para outro, até mesmo dentro de um mesmo laboratório (GARCIA et al., 2004). A relativa baixa eficiência da técnica e também a menor qualidade dos embriões produzidos in vitro. Quando comparados com os produzidos in vivo, são outros fatores limitantes desta, uma vez que aproximadamente 30% dos oócitos colocados para maturar se desenvolvem até o estádio de blastocisto (MINGOTI, 2005) e, geralmente, menos de 50% dos embriões transferidos geram prenhez, isto quando não foram anteriormente criopreservados, pois nestes casos os resultados são bem inferiores (DODE et al., 2000). 12 Diante destes aspectos, para obtenção de melhores resultados, muitos estudos avaliando individualmente cada uma das etapas envolvidas no processo de PIV tem sido realizados a fim de ajustar, da melhor maneira possível, todas as suas variáveis envolvidas (MINGOTI, 2005). Apesar dos avanços obtidos, a PIV ainda apresenta algumas limitações tais como: os baixos índices de blastocisto, dificuldade na criopreservação dos embriões, menor viabilidade dos oócitos obtidos de bezerras em relação aos de vacas e novilhas, e o custo do embrião que é mais alto do que um embrião de TE. Além disso, bezerros com maior peso ao nascer, período de gestação mais longo, aumento na incidência de abortos, aumento da mortalidade perinatal e aumento de anormalidades congênitas tem sido associados a prenhezes produzidas por transferência de embriões produzidos in vitro (RUMPF, 2007). 4. 1. 1 Etapas da produção in vitro de embriões A primeira etapa da produção in vitro (PIV) de embriões bovinos consiste na obtenção dos oócitos, seja a partir de ovários de animais vivos (através da aspiração folicular transvaginal) ou através de ovários de animais abatidos ou ovariectomizados. Em seguida a técnica é desenvolvida em três etapas, todas interligadas e realizadas em laboratório: a maturação in vitro, a fertilização in vitro e o cultivo de zigotos in vitro. Esta última etapa é estendida até os estádios de mórula e blastocisto (geralmente alcançado no sétimo dia pósFIV), quando então os embriões disponíveis poderão ser transferidos ou criopreservados para estoque (DODE & RUMPF, 2002). A seguir será discutido todo o processo de produção in vitro de embriões bovinos. 4. 1. 2 Obtenção de oócitos imaturos para PIV A produção in vitro de embriões bovinos obteve avanços consideráveis nos últimos anos e está sendo rapidamente incorporada aos meios de produção, juntamente com a aspiração folicular transvaginal guiada por ultra-sonografia Ovum pick up (OPU), favorecendo os programas de melhoramento genético (ALVES et al., 2001). No entanto, a taxa de desenvolvimento embrionário 13 permanece baixa, em média 20% a 30% dos oócitos maturados chegam até o estádio de blastocisto (DAYAN et al., 2000). Devido à dinâmica folicular em novilhas e vacas zebuínas e européias ser caracterizada pela presença de duas ou três ondas desenvolvimento folicular (GINTHER et al., 1989; FIGUEIREDO et al., 1997; CASTILHO et al., 2000), é possível realizar a recuperação de oócitos por via transvaginal durante todo o ciclo estral, mesmo repetidamente (KRUIP et al., 1994). Na OPU a obtenção de oócitos é feita pela punção folicular com uma agulha acoplada a uma sonda transvaginal, de forma que os folículos a serem puncionados são visualizados na tela do ultra-som. Um sistema de bomba à vácuo conectado à agulha permite a recuperação dos oócitos e do líquido folicular para dentro de um tubo coletor. Os oócitos são transportados até o laboratório, onde se inicia o processo de produção in vitro de embriões. A média de oócitos viáveis obtidos por coleta in vivo é em torno de oito, entretanto essa média depende da estratégia adotada. Assim, é possível puncionar os folículos de uma doadora duas vezes por semana, uma vez por semana ou uma vez a cada duas semanas, sendo que, nas duas últimas alternativas, é possível dobrar os resultados mediante a estimulação hormonal (GOODHAND et al., 1999). Independente da estratégia, o resultado final esperado é de, pelo menos, uma gestação por semana por doadora (BOUSQUET et al., 2000). Ovários de abatedouro são a principal fonte de oócitos para serem utilizados na pesquisa, e são geralmente provenientes de animais sem valor econômico. A aspiração de oócitos a partir desses ovários, da mesma forma que no método in vivo, é realizada com uma agulha acoplada a uma bomba a vácuo, com a qual se aspiram todos os folículos presentes na superfície dos ovários com diâmetro variando entre 2,0 a 6,0 mm. A média de oócitos recuperados por ovário está entre seis e dez, sendo que a quantidade e a qualidade dos oócitos obtidos é influenciada pela época do ano, estado fisiológico do animal e tamanho do folículo aspirado (DODE & RODOVALHO, 2001). Convém ressaltar, entretanto, que quando se trabalha com ovários isolados de vacas de elevado mérito genético, além da punção dos folículos visíveis, pode ser feita a dissecação desses ovários, maximizando o seu aproveitamento (GONÇALVES et al., 2002). 14 Os ovários que são obtidos de animais de abatedouro normalmente são transportados até o laboratório dentro de caixas de isopor ou em garrafas térmicas contendo solução salina a 0,9% de NaCl aquecida a 30-35oC (GONÇALVES et al., 2002). Assim como a temperatura de transporte, o tempo decorrido entre a obtenção dos ovários e o início da colheita também é muito importante. Segundo GONÇALVES et al. (2002), o tempo entre a obtenção dos ovários e o início da colheita de até três horas parece não afetar a viabilidade dos oócitos. A OPU, em geral, não promove danos ao sistema reprodutor feminino, embora em alguns casos já tenha sido relatada a predominância de tecido conjuntivo no parênquima ovariano de vacas doadoras que estavam sendo submetidas a sessões de aspiração quinzenais (RODRIGUES & GARCIA, 2002). Após a recuperação dos oócitos, com o auxílio de um estereomicroscópio, faz-se a seleção, levando em consideração o número de camadas de células do cumulus (Figura 8) e o aspecto do citoplasma do oócito (GONÇALVES et al., 2002). FIGURA 8 – Oócitos de bovinos imaturos, logo após a aspiração dos folículos ovarianos, apresentando células do cumulus compactas (DODE, 2002) Segundo GONÇALVES et al. (2002), a classificação dos oócitos pode ser realizada com a escala de um a quatro, sendo, Qualidade 1: Cumulus compacto, presente, contendo mais de três camadas de células, ooplasma com granulações finas e homogêneas, preenchendo o interior da zona pelúcida e de coloração marrom. Qualidade 2: Cumulus compacto, parcialmente presente em volta do oócito ou rodeando completamente o oócito, com menos de três 15 camadas celulares, ooplasma com granulações distribuídas heterogeneamente, podendo estar mais concentradas no centro e mais claras na periferia ou condensadas em um só local aparentando uma mancha escura. O ooplasma preenche o espaço do interior da zona pelúcida. Qualidade 3: Cumulus presente, mas expandido, ooplasma contraído com espaço entre a membrana celular e a zona pelúcida, preenchendo irregularmente o espaço perivitelínico, degenerando, vacuolizando ou fragmentando. Qualidade 4: oócito desnudo (sem cumulus). 4. 1. 3 Maturação in vitro de oócitos Os oócitos, assim que retirados dos folículos ovarianos, não se encontram ainda aptos para sofrerem fecundação normal e desenvolvimento embrionário inicial, sendo necessário passarem por uma série de modificações estruturais e bioquímicas no núcleo (maturação nuclear) e citoplasma (maturação citoplástica) para adquirirem tais capacidades, que em seu conjunto são denominadas de maturação oocitária (GONÇALVES et al., 2002). Os oócitos encontram-se no interior de folículos ovarianos conforme a (Figura 9) e são formados em ovários de fêmeas mamíferas durante a vida fetal. A população destes folículos ovarianos é muito vasta em todos os mamíferos e foi estimada em 130.000 para bovinos de raça européia e 70.500 para zebuínos. FIGURA 9 - Estrutura de um folículo ovariano na espécie bovina 16 Durante a ovogênese os oócitos de mamíferos permanecem retidos no estádio de diplóteno da prófase da primeira divisão meiótica, desde a vida fetal até pouco antes da ovulação. A retomada da meiose pode ser mediada por um estímulo hormonal in vivo que tem início após o pico pré-ovulatório de LH durante o estro. Porém, a simples retirada do oócito do contato com as células foliculares já é suficiente para que haja um reinício do processo de maturação nuclear. Portanto, quando os oócitos são aspirados dos folículos ovarianos (normalmente entre 2,0 e 6,0 mm de diâmetro) para serem utilizados na PIV, eles ainda são imaturos e necessitam sofrer o processo de MIV. Essa é realizada cultivando os oócitos, logo após a aspiração do folículo, em meio de maturação, com temperatura e atmosfera apropriada, por um período de 22 a 24 horas (DODE & RUMPF, 2002). A maturação envolve mudanças nucleares e citoplasmáticas que devem ocorrer simultaneamente e que conferem aos oócitos a capacidade de serem fecundados, descondensarem a cabeça do espermatozóide, formar os prónúcleos e terem desenvolvimento embrionário normal (DODE et al., 2000). Os eventos nucleares envolvem reorganização da rede de microtúbulos, rompimento do envoltório nuclear, condensação dos cromossomos e progressão para metáfase I, anáfase I, telófase I, expulsão do primeiro corpúsculo polar e retenção no estádio de metáfase II (CHA & CHIAN, 1998). No que se refere ao citoplasma, ocorre reprogramação na síntese protéica, mudança na atividade da proteína quinase ativada por mitógenos (MAPK) e do fator promotor da maturação (MPF), bem como no desenvolvimento dos mecanismos de liberação de Ca++, e aquisição da capacidade de descondensar a cabeça do espermatozóide (SALAMONE et al., 2001). Ainda durante esse período, ocorrem mudanças na organização citoplasmática, tais como um contínuo desenvolvimento dos estoques de lipídios, redução do aparelho de Golgi, aparecimento de vários ribossomos adjacentes aos cromossomos, rearranjo das mitocôndrias e alinhamento dos grânulos corticais próximos à membrana plasmática (DIELEMAN et al., 2002). O aumento no estoque de lipídios pode estar associado à formação de um pool de energia essencial para o oócito suportar o desenvolvimento após a fecundação. 17 Outro evento que ocorre na maturação é a expansão das células do cumulus que circundam os oócitos. Essas são células da granulosa especializadas, que estão metabolicamente associadas entre si e com o oócito. Projeções celulares das células do cumulus atravessam a zona pelúcida e formam pequenas junções com o oócito (gap). Essas junções são a única entrada de substâncias ou estímulos no plasma. No oócito imaturo (Figura 8) elas estão muito compactadas e, durante a maturação, iniciam a secreção de ácido hialurônico, que se deposita entre elas separando-as e causando a expansão dessas células (Figura 10). Figura 10 – Ovócitos de bovinos maturos, após 22 horas de maturação in vitro, apresentando expansão das células do cumulus (adaptado de: DODE et al., 2002) A ligação metabólica vai diminuindo gradativamente à medida que a expansão aumenta (WARSSAMAN & ALBERTINI, 1994), sugerindo que a presença dessas células seriam essenciais no período inicial da maturação (DODE et al., 2000). A maturação representa o estádio final da preparação do oócito para a fecundação, portanto as mudanças estruturais e bioquímicas que ocorrem durante esse período são necessárias para que esse processo seja completo. Entretanto, para que isso ocorra, o oócito precisa ter competência meiótica, que é adquirida progressivamente durante a fase final do crescimento oocitário. Essa competência se refere à capacidade do oócito de completar a divisão meiótica, descondensar a cabeça do espermatozóide, formar os pró-núcleos e suportar o desenvolvimento embrionário subsequente (WARSSAMAN & ALBERTINI, 1994). Oócitos 18 competentes necessitam ter estocado fatores importantes, na forma de proteínas ou mRNA estável, que deverão ser utilizados durante a maturação, fecundação e início do desenvolvimento embrionário (CHA & CHIAN, 1998). Tendo em vista que os oócitos maturados in vitro, quando comparados aos in vivo, apresentam menores taxas de blastocisto após a fecundação e o cultivo in vitro (TAKAGI et al., 2001), pode-se supor que a maturação ainda continua sendo um problema na PIV. Sendo que, vários fatores podem afetar o sucesso da maturação oocitária, entre eles podemos citar a morfologia do complexo cumulus oócitos (CCOs), as condições de maturação e a competência do oócito (GONÇALVES et al., 2002). A morfologia dos CCOs tem sido correlacionada com as taxas de blastocistos, a redistribuição das mitocôndrias e o conteúdo de ATP dos oócitos, os quais diferem entre os considerados morfologicamente bons e ruins. Nos oócitos imaturos morfologicamente superiores, as mitocôndrias aparecem distribuídas de forma uniforme na periferia do citoplasma. Após a maturação, aparecem como grupos maiores localizados não só na periferia, mas também na porção mais central do citoplasma, o que não ocorre nos oócitos considerados inferiores (STOJKOVIC et al., 2001). Da mesma forma, o conteúdo de ATP em oócitos imaturos é maior nos morfologicamente superiores, havendo uma correlação positiva entre a concentração de ATP do oócito e o número total de células dos embriões produzidos. Esses fatores, entre outros, podem ser responsáveis pela diferença na capacidade de desenvolvimento desses oócitos (DODE & ADONA, 2001). Além das características morfológicas, as condições de cultivo afetam drasticamente a maturação. A presença de hormônios, substâncias antioxidantes, fatores de crescimento, temperatura e atmosfera gasosa, são alguns fatores que têm sido relatados como responsáveis por muitos dos problemas que ocorrem durante a maturação (CHA & CHIAN, 1998). Em bovinos, o crescimento do oócito está completo quando os folículos atingem em torno de 2,0 mm de diâmetro e, nesse estádio, alguns oócitos já estão competentes para se desenvolver in vitro. No entanto, no processo de MIV, os oócitos possuem apenas 24 horas para finalizar todo seu processo de maturação e são provenientes de folículos de 2,0 a 6,0 mm. Se compararmos 19 com a situação in vivo, folículos desse diâmetro levariam alguns dias até chegarem ao estádio pré-ovulatório. Portanto, esse período que corresponde ao de dominância folicular, é eliminado no cultivo in vitro. É possível que os vários processos, pelos quais os oócitos passam durante esse período, possam afetar a competência dos oócitos utilizados para PIV, já que nesses, o período final da foliculogênese não ocorre (DODE & ADONA, 2001; DIELEMAN et al., 2002). Visando superar essa situação várias tentativas têm sido feitas, utilizando agentes fisiológicos e farmacológicos para reter os oócitos imaturos em meiose (DODE et al., 1999; ADONA et al., 2000). Essa retenção do núcleo, por um determinado período antes da retomada da meiose daria aos oócitos uma maior oportunidade para que as mudanças citoplasmáticas necessárias à maturação pudessem ocorrer. Entretanto, até o momento, nenhuma melhora na produção de embriões tem sido obtida quando os oócitos são retidos até 24 horas após a aspiração (DODE & ADONA, 2001). Mesmo após a rigorosa seleção de oócitos e o uso de condições de cultivo adequadas, a taxa de produção de embriões viáveis ainda é o dobro em oócitos maturados in vivo quando comparados com os maturados in vitro (VAN de LEEMPUT et al., 1999). Portanto, o folículo de origem parece ser vital para conferir aos oócitos o ambiente necessário para atingir a completa competência para o desenvolvimento. Essa hipótese foi confirmada por BLONDIN et al. (2002), que utilizaram diferentes protocolos hormonais antes da OPU e obtiveram oócitos mais competentes, aumentando o número de embriões produzidos na PIV. Uma grande variedade de meios tem sido utilizada para maturação in vitro de oócitos, todavia a maioria das equipes utilizam como meio base o TCM 199 com sais de EARLE. Esse meio é modificado conforme a rotina de cada laboratório. Geralmente é adicionada L-glutamina, bicarbonato de sódio, HEPES, piruvato de sódio e hormônios. Em relação aos hormônios, é usual a utilização do LH ou do FSH ou ainda a combinação dessas gonadotrofinas. Há controvérsias quanto à real necessidade desses hormônios e quanto às concentrações a serem utilizadas, porém a maioria dos resultados demonstram que a adição de gonadotrofinas ao meio de maturação de oócitos aumenta a capacidade de fecundação e melhora o posterior desenvolvimento embrionário (GONÇALVES et al., 2002). O fluido sintético de oviduto (SOF) também pode ser utilizado na 20 maturação in vitro (MIV), porém seu uso é mais preconizado para cultivo embrionário. Modificações desse meio dependem dos protocolos de cada laboratório, que pode ser uma suplementação com fonte energética (glicose e piruvato), fonte protéica, soro fetal bovino (SFB) (DODE & RODOVALHO, 2002). O processo de maturação in vitro de oócitos bovinos pode ser feito com TCM 199 ou com meio Ham's F10. Entretanto, esses meios sem suplementação não suportam altos níveis de maturação oocitária, necessitando de uma suplementação com soro. O uso do soro nos meios de maturação aumenta a concentração protéica e de fatores de crescimento, que previnem o endurecimento da zona pelúcida, aumentando assim a capacidade de fecundação dos oócitos, tendo sido utilizado na proporção de 10% a 20% do volume total do meio (GONÇALVES et al., 2002). As células do cumulus possuem um papel essencial nas primeiras horas de maturação (MERTON et al., 2003) e protegem o oócito de estresse oxidativo durante este processo (YUAN et al., 2003). As células do cumulus estão intimamente ligadas ao oócito. Durante a fase de maturação, são secretados hormônios endógenos e fatores promotores produzidos pelo oócito que estimulam a síntese de ácido hialurônico pelas células do cumulus, induzindo a sua expansão (GONÇALVES et al., 2002). Alguns fatores de crescimento foram relatados como responsáveis no incremento da produção de embriões bovinos, tais como o peptídeo intestinal vasoativo (VIP), devido ao retardamento da maturação citoplasmática sem alterar a maturação nuclear (BEKER et al., 2000); fator de crescimento de epiderme (EGF), dentre outros (VAN de LEEMPUT et al., 1999). Para se obter sucesso na maturação de oócitos é necessário também que o meio esteja com o pH, a osmolaridade e a composição iônica adequada; a temperatura da estufa de maturação devem estar ideal (38,5 a 39oC); e a tensão de CO2 e O2, importantes para que a maturação ocorra com sucesso (GONÇALVES et al., 2002). Uma das grandes diferenças entre o ambiente in vivo e o in vitro é a tensão de oxigênio, visto que a tensão de oxigênio no oviduto e no útero é menor do que a utilizada nos sistemas de cultivo embrionário in vitro (VAN SOOM et al., 21 2002). Tem sido demonstrado que a diminuição na tensão de oxigênio de 20% para 5% aumenta a taxa de desenvolvimento embrionário in vitro em várias espécies (TAKASHI et al., 2001). A mistura gasosa mais utilizada em meios definidos sem soro e sem células é 5% de CO2, 5% de O2 e 90% de N2 (GONÇALVES et al., 2002). 4. 1. 4 Fecundação in vitro Para a FIV espermatozóides e oócitos maturos são co-incubados em um meio específico, por um período de cerca de 18 horas, sendo possível coincubar por períodos menores sem afetar as taxas de produção de embriões (DODE & RODOVALHO, 2002). Para que a FIV ocorra com sucesso é necessário que os oócitos tenham sofrido uma maturação completa e que os espermatozóides tenham sido adequadamente preparados (DODE & RODOVALHO, 2000). As técnicas mais utilizadas para separação de espermatozóides vivos dos demais componentes do sêmen e dos crioprotetores são o swing-up, o gradiente percoll e o lavado espermático. A técnica ideal para separação espermática deve ser rápida, simples, de baixo custo, capaz de recuperar a maioria dos espermatozóides móveis, não resultar em alterações espermáticas, remover espermatozóides mortos e outras células, incluindo microorganismos, remover substâncias tóxicas e bioativas, permitir o processamento de grandes volumes de sêmen, além de permitir o controle da concentração e volume final da suspensão (GONÇALVES et al., 2002). Além do método utilizado para preparação do sêmen e do tempo de coincubação, outros fatores podem afetar a taxa de fecundação tais como, a dose inseminante, a interação touro-vaca e a diferença entre touros na capacidade de fecundar e produzir embriões. A variação individual de touros é um dos principais fatores que interferem na FIV e na produção de embriões. Portanto, é necessário testar os touros antes de seu uso na FIV de oócitos de diferentes doadoras (WATANABE et al., 1999). O processo de fecundação do oócito envolve uma cascata bioquímica complexa, que começa no aumento da motilidade do espermatozóide, que deve 22 sofrer capacitação, reconhecer receptores na zona pelúcida do oócito, sofrer reação acrossômica, ligar-se na membrana plasmática do oócito e, finalmente, incorporar-se ao citoplasma (DODE & RODOVALHO, 2002). A capacitação espermática esta relacionada com uma remoção gradual e alteração de glicoproteínas periféricas, redução nos níveis de colesterol e mudanças na distribuição e composição de certos fosfolipídeos de membrana. Essas alterações culminam em uma exposição de fatores responsáveis pela interação do espermatozóide com receptores do oócito. O espermatozóide capacitado e com o acrossoma intacto consegue atravessar pelas células do cumulus oophorus, porém não passa pela zona pelúcida do oócito. Por esse motivo, GORDON (1994) relatou que a reação acrossômica é imprescindível para a passagem do gameta masculino pela zona pelúcida. Consequentemente uma cascata de eventos culmina o aumento intracelular de cálcio. Esse aumento é responsável por ativar substâncias fusogênicas, além de agir em fosfolipídeos de membrana, localizado na cabeça do espermatozóide. Após a fusão e a incorporação do gameta masculino no oócito, grânulos corticais são liberados dentro do espaço perivitelínico. Essa desgranulação resulta em uma extensa reorganização da zona pelúcida e/ou superfície vitelínica, conhecida como reação cortical. A reação cortical provoca um endurecimento da zona pelúcida através de liberação de enzimas, que também são responsáveis pela inativação de receptores espermáticos (ZP3), evitando assim a polispermia (DODE, 2002; HAFEZ & HAFEZ, 2004). Algumas glicosaminoglicanas presentes no trato genital feminino são responsáveis pela indução e a capacitação espermática in vivo. Nos processos in vitro, a heparina tem exercido o mesmo papel em bovinos. Antes de co-cultivar oócitos e espermatozóides em meio de fertilização, o sêmen do touro deve ser preparado por técnicas que permitem a separação dos espermatozóides vivos dos demais componentes do sêmen e seus crioprotetores (GONÇALVES et al., 2002). 23 4. 1. 4. 1 Gradiente de percoll A seleção espermática pelo percoll, o sêmen é centrifugado através da passagem por diferentes gradientes para permitir a separação dos espermatozóides vivos dos mortos e demais constituintes do sêmen. A composição do percoll baseia-se em partículas de sílica coloidal cobertos por polivinilpirrolidona, preparado em diferentes concentrações para formar um gradiente necessário de separação espermática (GONÇALVES et al., 2002). Após a maturação dos oócitos e separação dos espermatozóides viáveis (Figura 11), é necessário propiciar um ambiente adequado para que ocorra a capacitação e fecundação. Com esse intuito diversos componentes são adicionados ao meio de fecundação, como a heparina e PHE (penicilamina, hipotaurina e epinefrina), pois ajudam na capacitação, incrementam a atividade espermática e aumentam os índices de fecundação. Outro fator que interfere na taxa de fecundação é o tempo de co-cultivo que varia de 18 a 22 horas (GONÇALVES et al., 2002) FIGURA 11 – Distribuição dos segmentos do sêmen nas diferentes camadas de Percoll® após centrifugação (adaptado de: GONÇALVES et al., 2008) O espermatozóide, ao penetrar a membrana do ovócito, estimula o mesmo a completar a meiose, expelindo o segundo corpúsculo polar para dentro do espaço perivitelínico. Os cromossomos maternos (haplóides) são englobados por um pró-núcleo. O envelope nuclear do espermatozóide desintegra-se após a fusão com a membrana plasmática do ovócito, descondensado assim a sua 24 cromatina. Ocorre a formação de um novo envelope nuclear dentro do citoplasma do ovócito, formando o pró-núcleo masculino (HAFEZ & HAFEZ, 2004). Ao final da junção dos pró-núcleos masculinos e femininos, fenômeno intitulado de singamia, o zigoto é formado com um novo arranjo citoplasmático e inicia-se uma série de divisões mitóticas, até a formação do blastocisto (GONÇALVES et al., 2002). 4. 1. 5 Cultivo in vitro de embriões O cultivo embrionário, realizado logo após o período de FIV é fundamental para o sucesso na produção in vitro (PIV) de embriões bovinos. O sistema empregado nessa etapa deve proporcionar condições adequadas para as primeiras clivagens, ativação do genoma embrionário e consequente desenvolvimento até o estádio de blastocisto nos programas comerciais ou de pesquisa, visando a transferência para as receptoras. Atualmente, diversos sistemas vêm sendo empregados com sucesso, todos eles tentando mimetizar ao máximo as condições uterinas. No entanto, a tuba uterina e o útero apresentam várias alterações no decorrer do desenvolvimento embrionário, o que os torna um sistema muito complexo e de difícil reprodução in vitro (DODE et al., 1999). Após a fecundação in vitro, os embriões são transferidos para o cultivo embrionário onde permanecem por um período de sete dias, até atingirem o estágio de blastocisto, quando, então, podem ser transferidos para o útero de fêmeas receptoras que levarão a gestação a termo (DODE & RUMPF, 2002). O cultivo in vitro de embriões requer um sistema que suporte um alto desenvolvimento embrionário. O co-cultivo com células somáticas era essencial para se obter taxas aceitáveis de desenvolvimento embrionário. Entretanto, com o desenvolvimento do meio SOF, que foi criado baseado na constituição do fluído do oviduto de bovinos, foi eliminada a necessidade de co-cultivo, visto que, nesse meio, os zigotos se desenvolvem com boas taxas sem a presença de células somáticas (WATSON, 2000). Esse meio, contudo, requer uma atmosfera de 5% de O2, a qual difere da utilizada para a MIV e FIV. Estudos têm demonstrado, entretanto, que o meio SOF pode ser utilizado com alta tensão de oxigênio, desde que as células do cumulus remanescentes no zigoto após a FIV sejam mantidas 25 DODE & MATTOS (2002). Esses resultados sugerem que as células do cumulus facilitariam o crescimento embrionário por retirarem substâncias tóxicas, diminuindo o estresse oxidativo. Condições de cultivo in vitro normalmente aumentam a produção de radicais livres, pois os embriões estão mais expostos à luz e a altas concentrações de O2, afetando a taxa de desenvolvimento embrionário. Comparando os embriões produzidos in vitro e os produzidos in vivo, foi observado que eles diferem em várias características, tais como, aspectos morfológicos, aspectos metabólicos, alterações cromossômicas, número de células e expressão de mRNA específicos (VANSOOM et al., 1996; VIUFF et al., 1999, 2000). Estas diferenças possivelmente determinam o começo de uma série de problemas que levam a uma redução na eficiência da técnica (FARIN et al., 2001). Os embriões PIV apresentam maior vacuolização, menores número de células, menor densidade de mitocôndrias, maior densidade de lipídios (CROSIER et al., 2001) e junções incompletas entre as células do botão embrionário e do trofoblasto (FARIN et al., 2001). A maior densidade de lipídios observada nesses embriões sugere que eles retiram mais lipídios do meio de cultivo ou que seu metabolismo estaria alterado. Em estudo utilizando a técnica de hibridação in situ por fluorescência (FISH) para avaliar poliploidias, foi observado que 72% dos embriões produzidos in vitro eram mixoplóides e que, apesar da mixopolidia ocorrer também em embriões in vivo, nos in vitro ocorre com maior frequência e em estágios mais precoces do desenvolvimento (VIUFF et al., 1999). Além disso, a poliploida somente foi observada nos in vitro e não nos in vivo (VIUFF et al., 2000, 2001). Muitos desses problemas são devidos ao processo de maturação, mas que se manifestam no desenvolvimento embrionário, visto que o número de células e as alterações cromossômicas, por exemplo, são diferentes quando os embriões PIV são produzidos a partir de ovócitos maturados in vivo e in vitro (VANSOOM et al., 1996; VIUFF et al., 2000; VIFF et al., 2001). Na PIV cerca de 30% a 50% dos ovócitos inseminados chegam ao estágio de blastocisto e os índices de gestação estão em torno de 35 % (DAYAN et al., 2000). As maiores perdas no desenvolvimento embrionário ocorrem nos estádios de oito para 16 células (ativação do genoma do embrião) e póstransferência, em torno dos dias 14 e 15 da gestação. Quando embriões PIV ou in 26 vivo foram transferidos no sétimo dia pós-inseminação e recuperados no dia 17 da gestação, foi observado que a degeneração e a perda embrionária foram maiores nos embriões PIV (FARIN et al., 2001). Esse período coincide com o reconhecimento materno da prenhez, o qual depende de um sinal enviado pelo embrião, a produção de interferon tau (INFτ) ao organismo materno. De fato tem sido demonstrado que embriões PIV secretam quantidades menores de INFτ do que os in vivo, sendo que quanto pior a qualidade morfológica do embrião menor a secreção (STOJKOVIC et al., 1999). Além do sistema de cultivo usual, outros métodos estão sendo propostos com vistas a aumentar as taxas de produção de blastocisto e os índices de gestação. Entre eles pode-se citar o sistema de meio sequencial, em que é realizado uma perfusão para introduzir mudanças na composição do meio de cultivo. Essas mudanças são determinadas de acordo com as mudanças nos requerimentos dos embriões em diferentes estádios de desenvolvimento (THOMPSON, 1995). O cultivo em micro-câmara usando um sistema microfluídico proporciona um ambiente mais próximo do sistema in vivo, do que do sistema estático de micro-gotas. Além disso permite a utilização de meio sequencial com mudança gradual sem movimentar os embriões (BEEBE et al., 2002). O oviduto é o local onde ocorre a fecundação, e é também onde iniciase o desenvolvimento embrionário. Essa porção do trato reprodutivo tem sido usada com sucesso na produção in vitro de embriões de várias espécies. Tanto que, inicialmente, o cultivo de embriões totalmente in vitro só foi possível com a utilização de um sistema de co-cultivo com células do oviduto. Posteriormente, GORDON (1994) mostrou que era possível o uso de diversos tipos de células somáticas, pois elas também são capazes de proporcionar um ambiente onde os embriões possam se desenvolver até o estádio de blastocisto. As principais células somáticas empregadas no sistema de co-cultivo de embriões, além das células do oviduto, são: células de rim de macaco (VERO), células do cumulus oophorus e células da granulosa (GONÇALVES et al., 2002). Acredita-se que o mecanismo benéfico da presença das células e/ou das proteínas do soro seria a retirada de substâncias embriotóxicas do meio de cultivo, tais como os radicais livres, íons de amônia, dentre outros; além de terem a capacidade de produzir fatores embriotróficos, auxiliando no desenvolvimento 27 dos embriões. Outra vantagem é a proteção contra o estresse oxidativo provocado pela condição de cultivo (FATEHI et al., 2005). Entretanto, a falta de controle dos fatores produzidos pelas células utilizadas e os diferentes níveis de liberação desses fatores (dependendo da fase celular), tornam o meio de cultivo indefinido, causando, dessa maneira, uma inconstância nos resultados. Em níveis atmosféricos o oxigênio é tóxico para a maioria dos tipos celulares por aumentar a formação de radicais livres. Os embriões in vivo são protegidos dos radicais livres pelo fluido do oviduto, o que não ocorre no sistema in vitro. O estresse oxidativo proveniente de uma alta tensão de oxigênio (20%) causa retardo no desenvolvimento dos embriões em sistemas de cultivos convencionais, devido à produção de peróxido de hidrogênio, que lesiona o DNA da célula, como relataram TAKAHASHI et al. (2000). Os embriões são capazes de se desenvolver em diferentes meios de cultivo, desde simples soluções de sais balanceadas até sistemas complexos, envolvendo co-cultivo e soro. O TCM 199 é um meio de cultivo complexo desenvolvido para o cultivo celular em geral, enquanto que o SOF (fluido sintético de oviduto) é classificado como um meio simples, desenvolvido e direcionado para a produção de embriões (GONÇALVES et al., 2002). WRENZYCKI et al. (2001) utilizaram os dois meios para cultivo embrionário em bovinos e não encontraram diferenças nas taxas de clivagem, produção de mórulas e blastocistos, porém sugeriram que o uso do SOF proporciona um ambiente mais adequado, pois existem diferenças no padrão de expressão de genes relacionados à pré-implantação de embriões. Os componentes que fazem parte do meio de cultivo interferem na produção e qualidade embrionária. Substâncias como lactato e piruvato são essenciais durante a fase de clivagem e desenvolvimento inicial do embrião. A glicose, na presença de fosfato, atrasa ou para o desenvolvimento embrionário inicial; porém esse carboidrato é fundamental na fase de compactação e de blastocisto, (PEREIRA, 2005). 28 5 DISCUSSÃO O protocolo seguido pelo CES não seguia a metodologia proposta por GONÇALVES et al. (2002), que preconizam o transporte de ovários em solução salina a 0,9% de NaCl aquecida à 30-350C. Outros autores (BASSO et al., 2006; CASTILHO et al., 2007) transportaram ovários com temperatura de 30oC em solução fisiológica de NaCl a 0,9% adicionada com antibióticos à base de penicilina e estreptomicina. Quanto ao tempo de transporte o protocolo do CES obedecia ao que foi preconizado por GONÇALVES et al. (2002), sendo que o tempo transcorrido entre a coleta e a manipulação não excedia quatro horas. No laboratório optava-se por utilizar meios com hormônios na sua composição como o FSH e LH. Procedimento respaldado por YANG et al. (1993), que demonstraram-se que a adição de gonadotrofinas e estradiol ao meio de maturação melhorou tanto a capacidade fecundante como a competência de desenvolvimento dos oócitos bovinos. Corroborando com tais achados, ALVES et al. (2001), sugeriram que as concentrações de FSH interferiram na maturação nuclear, mas que não exerceram influência sobre a clivagem. Porém embriões provenientes de oócitos que no seu processo de maturação receberam qualquer concentração de FSH desenvolveram-se normalmente até os diferentes estádios de blastocisto. Entretanto FUKUI et al. (1989) relataram que a suplementação hormonal não surtiu efeito positivo. DODE & MATTOS (2002), Provavelmente as doses hormonais e as condições de cultura (tipo de soro e temperatura) sejam os fatores que mais contribuíram para essas contradições. Dentre os fatores que influenciam o desenvolvimento oocitário e embrionário estão o tamanho dos folículos dos quais são recuperados os oócitos. No CES os oócitos eram recuperados apenas de folículos menores que 4,0 milímetros, procedimento que encontra respaldo no trabalho de FUKUI & SAKUMA (1980), no qual sugerem que oócitos recuperados de folículos de menor diâmetro (≤ 4,0 mm) possuíam qualidade superior aos de maior diâmetro (> 4,0 mm). Em outro estudo estes mesmos autores observaram que oócitos bovinos com células do cumulus exibindo sinais médios de atresia tiveram taxas maiores de desenvolvimento embrionário que oócitos sem sinais de atresia e a 29 competência para o desenvolvimento embrionário in vitro somente era afetada por altos níveis de atresia (BLONDIN & SIRARD, 1995). Entretanto, CAROLAN et al. (1996) não observaram influência do diâmetro folicular sobre a maturação do oócito. Resultado similar foi observado por SENEDA et al. (2001) estudando oócitos oriundos de folículos pequenos (< 4,0 mm) e grandes (> 4,0 mm) aspirados in vivo. Segundo BASSO et al. (2006), não há efeito do diâmetro folicular sobre a qualidade dos oócitos. Um estudo realizado por HAGEMANN (1999) sugeriu não existir diferença significativa na taxa de blastocisto entre oócitos obtidos de folículos 3,0 a 5,0 ou 6,0 a 8,0 mm, mas a taxa de desenvolvimento foi significativamente maior em oócitos de folículos dominantes (> 13,0 mm) durante a fase de crescimento. Este resultado é corroborado por CASTILHO et al. (2007), que citaram que os oócitos obtidos de folículos maiores resultaram em melhores taxas de clivagem. Por outro lado, segundo estes mesmos autores, o diâmetro folicular não influenciou a taxa de blastocisto, mas houve interação diâmetro versus fase de desenvolvimento folicular, isto é, oócitos oriundos de folículos pequenos têm melhor competência no início da onda e oócitos de folículos maiores melhoram seu desenvolvimento com o avanço da onda. A fase de desenvolvimento folicular influenciou a qualidade dos oócitos e a taxa de desenvolvimento embrionário, independente do diâmetro do folículo, sendo o início da onda o melhor momento para a aspiração. Durante a rotina do Laboratório de Reprodução Animal do CES sempre eram utilizados dois diferentes meios em quaisquer etapas da produção in vitro. Um meio era da Nutricell®, e outro meio era do Laboratório de Reprodução Animal do (CENARGEN), com a finalidade de compararem taxas de clivagem, e também taxas de blastocisto expandido. Alguns estudos têm mostrado que a presença de soro no cultivo pode ter um efeito duplo, inibindo as clivagens iniciais e, posteriormente, aumentando a velocidade de desenvolvimento do embrião até o estágio de blastocisto (RIZOS et al., 2002; RIZOS et al., 2003). Nestes estudos foram avaliadas a produção de embriões na presença de soro fetal (10%) e albumina sérica bovina (BSA) em duas concentrações (3% e 16%) e não encontraram diferença na taxa de clivagem entre os grupos, porém em D-6 houve maior produção de blastocisto na presença de soro, comparando com a BSA, demonstrando o efeito do soro em 30 acelerar o desenvolvimento embrionário. Resultado similar também foi obtido por WRENZYCKI et al., (2001), que utilizaram meio suplementado com soro fetal, BSA, ou PVA e também não encontraram diferenças na taxa de clivagem, porém a produção de mórulas e blastocisto foi significativamente maior no meio suplementado com soro que no suplementado com BSA ou PVA. Apesar da adição de soro parecer benéfica, alguns autores (THOMPSON, 1995; RIZOS et al., 2003) sugeriram que a presença de soro no meio de cultivo está relacionada com o aumento na quantidade de lipídios nos embriões PIV, o que reduz sua criotolerância, sendo isto um sério problema no processo de congelamento. O protocolo utilizado no laboratório do CES com a produção de embriões em grupos de 35 estruturas em cada gota está de acordo com o preconizado por PEREIRA et al. (2005), que sugeriram não haver diferenças significativas entre a produção de embriões cultivados em grupo ou individualmente, porém observaram que os embriões produzidos individualmente tendem a ter um menor número de células, podendo ser considerado de qualidade inferior. Entretanto, OLIVEIRA et al. (2005) retaram diferença na produção de embriões, sendo que quando o cultivo foi feito com 30 estruturas em 100 µL de meio de cultivo o desenvolvimento dos embriões foi inferior ao observado em cultivos com 10 estruturas. A tensão de O2 tem grande influência na produção e na qualidade dos embriões, principalmente devido ao estresse oxidativo. Quanto à atmosfera forçada de cultivo, o protocolo adotado pelo CES era o do uso de tensão de 5% O2, 5% de CO2 e 90% de N2, procedimento respaldado por GONÇALVES et al. (2008). Entretanto, KHURANA et al. (2000) avaliando a produção de embriões bovinos, não encontraram diferença quando esses foram cultivados sob 5% ou 20% de O2. Tem sido sugerido que a passagem dos espermatozóides pelo gradiente de percoll poderia retirar algumas glicoproteínas da membrana do espermatozóide e, com isso, acelerar a capacitação. Portanto, poderia ser esperado que o método utilizado pudesse alterar o tempo de capacitação e a vida útil do espermatozóide, o que poderia alterar o tempo necessário para a fecundação (GONÇALVES et al., 2002). Entretanto, estudo comparando os diferentes métodos de preparação espermática em diferentes períodos de co- 31 incubação demonstrou que a variação entre os tempos de duração da FIV foi similar para todos os métodos utilizados. Os melhores resultados foram observados quando a FIV foi realizada por um período de 12 horas, independente do método utilizado. Tais informações sugerem que o protocolo adotado pelo CES é respaldado pela comunidade científica (DODE & RODOVALHO, 2002). 32 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os avanços obtidos nas biotécnicas reprodutivas ao longo dos anos permitiram uma maior participação da fêmea bovina no processo de melhoramento genético do rebanho. Isso porque o número de descendentes deixados por uma única fêmea ao longo de sua vida reprodutiva aumentou significativamente com a utilização das técnicas de transferência e produção in vitro de embriões. O aperfeiçoamento dos sistemas de cultivo in vitro permitiu também o avanço de outras biotécnicas, tais como a clonagem e a manipulação de genes e transferência de embriões, etc. Portanto a produção in vitro de embriões bovinos, em breve será uma biotecnologia utilizada de forma mais ampla nos rebanhos comerciais, gerando ganhos consideráveis aos criadores pelo aproveitamento do potencial genético de seus animais em curto espaço de tempo, além dos avanços de grande relevância que a aplicação dessa biotecnologia gera para a área da pesquisa. Muitos estudos e pesquisas estão sendo destinados à PIV, principalmente focando cada uma das três etapas laboratoriais individualmente, na tentativa de torná-las mais eficientes e viáveis em todos seus aspectos. As perspectivas são boas, principalmente porque outras biotecnologias estão ascendendo e tendo a PIV como procedimento padrão. A realização do estágio curricular nesta área proporcionou a possibilidade de conhecer in loco os conhecimentos acadêmicos obtidos durante o período de graduação, além de proporcionar segurança para o exercício futuro da profissão. Foi também um período rico em experiências pessoais, permitindo que se conhecessem novos lugares, novas pessoas e novas oportunidades. 33 REFERÊNCIAS 1 ADONA, P. R.; DODE, M. A. N.; CHIOCHETTA, L.; FERREIRA, C. B. Retenção da meiose em folículos inteiros. Arquivos da Faculdade de Veterinária UFRGS, Porto Alegre, v. 28, n. 1, p. 192, 2000. 2 ALVES, J. D. R.; OLIVEIRA, M. A. L.; LIMA, P. F.; CALDAS, J. G. L.; FILHO, A. S. S.; BARRETO, M. B. P. Altas concentrações de FSH-p na maturação in vitro de oócitos Bos indicus. Ciência Rural, Santa Maria, v. 31, n. 4, p. 645-649, 2001. 3 BASSO, V. T.; NASCIMENTO, P. P.; CASTILHO, C. Efeito do diâmetro folicular sobre a qualidade dos oócitos obtidos de ovários de fêmeas de abatedouro. 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Theriogenology, Stoneham, v. 59, n. 7, p. 1585-1596, 2003. 40 Anexos 41 Meios de Maturação Anexo 1 - Meio para maturação de oócitos* Componente Unidade Quantidade TCM 199® base para maturação mL 2,7 Soro fetal bovino mL 0,3 LH µg 15,0 FSH µg 1,5 Piruvato de Sódio solução estoque µL 10 Gentamicina µL 15 *o soro fetal bovino (SFB) deve ser inativado a 60oC por 30 min. Gentamicina na concentração de 10 mg/mL. Filtrar e preparar as placas de maturação. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 1.1 - TCM 199® estoque* Componente HEPES TCM-199® com sais de Earle e L-glutamina q.s.p. Unidade Quantidade g 5,9575 mL 1.000 * ajustar o pH para 7,36, utilizando HCl ou NaOH 0,1 N, filtrar através de membranas de 0,22µ e armazenar em temperatura entre 2 e 6ºC. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 1.2 - TCM 199® base para maturação* Componente Unidade Quantidade G 0,22 mL 100 NaHCO3 ® TCM 199 estoque q.s.p. *ajustar o pH em 7,67 após equilíbrio em atmosfera com 5% de CO2, filtrar e armazenar em temperatura entre 2 e 6oC. Se o TCM-199® for adquirido líquido, verificar se já contém NaHCO3 em sua fórmula comercializada. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) 42 Anexo 1.3 - Solução de estoque de Piruvato de Sódio para desenvolvimento embrionário* Componente Unidade Quantidade Piruvato de Sódio g 0,0075 Água ultrapura q.s.p. µL 1.000 Filtrar e Congelar a -20ºC em alíquotas de 10 µL. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) 43 Gradientes de Percoll Anexo 2 - Solução de Sperm-TALP 10x* Componente Unidade Quantidade Solução KCl (1M) mL 3,090 Solução NaH2PO4H2O 0,1M) mL 2,920 NaCl g 4,675 HEPES g 2,380 mL 100,000 Unidade Quantidade Solução de Sperm-TALP 10x mL 1 Água ultrapura q.s.p. mL 9 Água ultrapura q.s.p. *ajustar o pH 7,3 e armazenar 2 e 6oC. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 2.1 - Solução de Sperm-TALP 1x Componente Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 2. 2 - Soluções para preparar Percoll* Componente KCl Água ultrapura q.s.p. Unidade Quantidade g 7,45 mL 100 o *filtrar e armazenar entre 2 e 6 C. Cloreto de potássio (1M). Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 2. 3 - Fosfato diácido de sódio monoidratado (0,1M)* Componente NaH2PO4H2O Água ultrapura q.s.p. Unidade Quantidade g 1,38 mL 100,000 o *filtrar e armazenar entre 2 e 6 C. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) 44 Meios de capacitação e fecundação Anexo 3 - Fert-TALP* Componente mM Unidade Quantidade NaCl 114 g 0,6660 KCl 3,2 g 0,0238 NaH2PO4 0,4 g 0,0048 Lactato de Sódio 10 µL 85,57 MgCl2.7H2O 0,5 g 0,0101 NaHCO3 25 g 0,2100 CaCl2.2H2O 2,0 g 0,0294 Piruvato de Sódio 0,2 g 0,0022 mL 1,0 PHE estoque Glicose 5 g 0,0900 Cafeína 5 g 0,0971 BSA g 0,6000 Antibiótico solução estoque µL 100,0 Água ultrapura q.s.p. mL 100,0 * armazenar em geladeira; 60% de xarope de lactato de sódio (“sodium lactate syrup”). BSA livre de ácidos graxos (“Fatty acid free”). Adaptado de: GONÇALVES et al. (2002) Anexo 3. 1 - PHE estoque* Componente Unidade Quantidade Penicilinamina g 0,0186 Hipotaurina g 0,0055 Epinefrina g 0,0009 mL 50 Água ultrapura q.s.p. *fazer alíquotas de 1 mL e congela a -20ºC. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2002) 45 Anexo 3. 2 - Solução estoque de Antibiótico para os meios* Componente Unidade Quantidade Penicilina UI 100.000 Estreptomicina mg 50 Água ultrapura q.s.p. mL 1 *congelar a -20ºC. Utilizar 1 µL da solução estoque/mL de meio. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2002) Anexo 3. 3 - Solução estoque de heparina para fecundação* Componente Heparina Fert-TALP q.s.p. Unidade Quantidade g 0,0010 mL 4 *congelar a -20oC em alíquotas de 50 µL. Fazer gotas de fecundação com 95 µL de meio Fert-TALP + 5 µL de heparina, totalizando 100 µL cada gota. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2002) 46 Meios de Cultivo Anexo 4 - Fluido sintético de oviduto (SOF) solução final* Componente Unidade Quantidade SOF solução estoque mL 9,5 Solução piruvato de sódio SOF estoque µL 100,0 Soro fetal bovino (10%) mL 1,0 Gentamicina (10 mg/ml µL 50,0 *filtrar e equilibrar em estufa com 5% de CO2 por no mínimo duas horas antes do uso. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 4. 1 - Fluido sintético de oviduto (SOF) solução estoque. SOFaaci (synthetic oviductal fluid mod. Com aminoácidos + citratos + inositol)* Produtos mM Unidade Quantidade 107,63 mg 629,00 KCl 7,16 mg 53,40 NaHCO3 25,00 mg 210,00 Lactato de sódio (xarope 60%) 5,35 µL 60 MgSO4 7H2O 1,51 mg 18,20 CaCl2 2H2O 1,78 mg 26,20 KH2PO4 1,19 mg 16,20 Aminoácidos essências BME 50x µL 3.000 Aminoácidos não essenciais MEM 100x µL 1.000 NaCl Myo-inositol 2,77 mg 50,00 Sódio tricitrato 0,34 mg 10,00 L-glutamina 0,20 mg 2,92 Vermelho fenol mg 0,15 Água ultrapura q.s.p. mL 100 *filtrar e armazenar esta solução estoque entre 2 e 6ºC. Osmoralidade em 285mOsm. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) 47 Anexo 4.2 - Solução estoque de cloreto de cálcio diidratado (1M; para preparação de meios)* Componente MgCl2.2H2O Água ultrapura q.s.p. Unidade Quantidade g 1,470 mL 10 *filtrar e armazenar 2 e 6ºC. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 4. 3 - Solução estoque de cloreto de magnésio hexaidratado (0,1M; para preparação de meios)* Componente MgCl2.6H2O Água ultrapura q.s.p. Unidade Quantidade g 0,203 mL 10 *filtrar e armazenar entre 2 e 6ºC. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Anexo 4. 4 - Solução de piruvato de sódio e fluido sintético de oviduto (SOF) estoque Componente Piruvato de sódio (testado para embrião) Água ultrapura q.s.p. Adaptado de: GONÇALVES et al. (2008) Unidade Quantidade g 0,04 mL 5