Reproductive ageing: the role of mitochondria in cumulus cells (dys)function

Abstract

The delay in childbirth, propelled by the increased engagement of women in social activities, has contributed to the rise in female infertility. This paradigm has raised interesting questions about the effects of maternal ageing on fertility potential. Among the effectors responsible for ensuring reproductive capacity, the oocyte and its microenvironment seem to play a critical role. The follicular microenvironment is responsible for ensuring the necessary conditions for the oocyte to reach nuclear and cytoplasmic competence, thereby influencing gamete quality and, subsequently, its potential to be fertilized. In follicular microenvironment, cumulus cells that surround the oocyte play a central role in oocyte development due to their intrinsic contact, and are responsible for oocyte metabolic and nutritional support. The close association between the oocyte and the cumulus cells makes these cells a promising tool to assess oocyte quality. Age-related modifications in oocyte quality can negatively impact female fertility. A cumulative set of alterations is observed during reproductive ageing, and among these alterations, a central role is thought to be played by the mitochondrion.The mitochondrion is responsible to ensure the energy supply, essential to maintain the cellular functions. Due to its properties the mitochondrion is more vulnerable to the damage induced by reactive oxygen species that it generates. Involvement of mitochondria in ageing was established in different models including in the follicular microenvironment.To mitigate the ageing effects on oocyte quality and on the success of assisted reproductive techniques, innovative strategies have been developed with the goal of restoring or boosting mitochondrial function. Caloric restriction, a dietary intervention, is known to extend lifespan and improve health markers. While the benefits of a caloric restriction diet are evident, implementing this intervention to mitigate ageing effects proves challenging. This has led to the development of organic compounds capable of mimicking the caloric restriction benefits without the reduction in food intake. Among these molecules metformin seems to be a promising pharmacological approach. While initially introduced for treatment of type 2 diabetes mellitus, the clinical versatility of metformin allows its use for the management of several endocrine disorders. Nevertheless, the exact mechanistic action of metformin remains incompletely understood.In this study we intended to elucidate the intricate relationship between the mitochondrial function of cumulus cells and the decline in oocyte quality, with the aim to establish a therapeutic target.We observed that human cumulus cells present a set of alterations in reproductive ageing, which point to a failure in mitochondrial function. Specifically, we observed a disruption in the mitochondrial membrane potential, leading to a reduction in mitochondrial activity, which was not correlated with a decrease in mitochondrial mass. These findings were sustained by a shift in cellular metabolism, wherein aged cumulus cells exhibited alterations in the bioenergetic profile, accompanied by a decrease in the expression of ATP synthase protein - an integral component of the oxidative phosphorylation pathway involved in ATP synthesis.Furthermore, we reported in cumulus cells from a young patient with polycystic ovary syndrome, a disruption in mitochondrial activity revealing a decrease in the protein expression of oxidative phosphorylation subunits. This patient exhibited a pattern of mitochondrial alteration closely resembling that observed in aged cumulus cells. Our findings further underscore the significance of mitochondria in the impairment of oocyte quality, highlighting their detrimental impact on reproductive potential.The understanding of the mitochondria role in the modulation of oocyte quality has promoted the development of approaches aimed at restoring the energy balance. In this study, our objective was to rejuvenate mitochondrial function through the supplementation of metformin. In our preliminary assays, the clinical use of physiologic metformin concentrations appears to be safe for cumulus cells in culture. Additionally, we noted that physiological concentration was insufficient to restore mitochondrial function. Nonetheless, it may be effective in mitigating cellular stress through an AMPK-dependent pathway.The presence of mitochondrial dysfunction in cumulus cells should be recognized as a predictive biomarker of oocyte quality. In this study, we found ATP synthase as a key indicator of reproductive failure. Further evidence is essential, offering valuable insights to effectively manage infertility in women with advanced maternal age.

O adiamento de um projeto de maternidade, promovido por alterações sociais, tem contribuído para a incidência crescente da infertilidade feminina. Esta tendência tem levantado questões sobre os efeitos da idade materna no potencial reprodutivo. De entre os fatores responsáveis por assegurar a fertilidade, o oócito e o seu microambiente desempenham um papel crucial. O microambiente folicular é responsável por assegurar as condições necessárias para que o oócito atinja competência nuclear e citoplasmática, influenciando a sua qualidade e, posteriormente, o seu potencial de desenvolvimento.Dentro do microambiente folicular, as células do cumulus, que rodeiam e estão em íntima associação com o oócito, desempenham um papel central no seu desenvolvimento assegurando o seu suporte metabólico e nutricional, sendo encaradas como uma ferramenta promissora para avaliar a qualidade oocitária. As alterações associadas ao envelhecimento na qualidade do oócito impactam negativamente a fertilidade das mulheres. Um conjunto cumulativo de alterações ocorre durante o envelhecimento reprodutivo, sendo um dos seus principais alvos a mitocôndria, responsável por assegurar as necessidades energéticas. Devido às suas características particulares, a mitocôndria é mais vulnerável à ação das espécies reativas de oxigénio produzidas pelo próprio organelo. De modo a mitigar o impacto da idade materna na qualidade oocitária e no sucesso das técnicas de procriação medicamente assistida, várias estratégias têm sido desenvolvidas, visando restaurar ou aumentar a função da mitocôndria.A restrição calórica é uma intervenção nutricional capaz de prolongar a esperança de vida e melhorar os indicadores de saúde, modulando os mecanismos de produção de energia. Embora os seus benefícios sejam evidentes, a sua implementação apresenta desafios, o que motivou o desenvolvimento de compostos orgânicos capazes de mimetizar os benefícios da restrição calórica sem reduzir a ingestão de alimentos. De entre estas moléculas, a metformina parece ser uma abordagem farmacológica promissora. Inicialmente proposta para o tratamento da diabetes mellitus tipo 2, a sua versatilidade clínica permitiu o seu uso no tratamento de vários distúrbios endócrinos. No entanto, o(s) seu(s) mecanismo(s) de ação não estão totalmente compreendidos.Neste trabalho pretendeu-se estabelecer uma relação entre a função mitocondrial das células do cumulus e o declínio da qualidade oocitária, com o objetivo de estabelecer um possível alvo terapêutico.Observámos que no envelhecimento reprodutivo as células do cumulus apresentavam um conjunto de alterações sugestivas de declínio da sua função mitocondrial. Verificou-se a disrupção do potencial da membrana mitocondrial, causando uma diminuição da sua atividade, que não estava associado a uma diminuição da massa mitocondrial. Estes dados foram suportados por alterações no metabolismo celular, em que se observou uma modificação do perfil bioenergético e a diminuição da expressão da proteína ATP sintase, envolvida na produção de ATP durante a fosforilação oxidativa. Adicionalmente, foi reportado, em células do cumulus de uma mulher jovem com síndrome do ovário policístico, uma alteração da atividade mitocondrial, refletindo-se numa diminuição da expressão das proteínas envolvidas na fosforilação oxidativa. Este padrão de alterações assemelhava-se ao observado em células do cumulus envelhecidas. Estas evidências reforçam o envolvimento da mitocôndria na perda da qualidade oocitária afetando o potencial reprodutivo. A identificação da mitocôndria como moduladora da qualidade oocitária promoveu o desenvolvimento de abordagens potencialmente capazes de restaurar o equilíbrio energético. Neste trabalho pretendeu-se restaurar a função mitocondrial através da suplementação do meio de cultura com metformina. Os nossos dados preliminares, mostram que o uso clínico de concentrações fisiológicas de metformina é seguro para as células de cumulus em cultura. No entanto, em concentrações fisiológicas, a metformina não é capaz de restaurar a função mitocondrial, parecendo, em contrapartida, suficiente para modular resposta ao stress celular através da via AMPK.A disfunção mitocondrial das células do cumulus deve ser encarada como um biomarcador preditivo da qualidade oocitária e consequentemente do potencial reprodutivo. Neste trabalho evidenciámos que a ATP sintase poderá ter um papel relevante neste processo. No entanto, são necessárias evidências adicionais para fundamentar essa afirmação, contribuindo para uma gestão mais eficaz da infertilidade em mulheres com idade materna avançada.