Procesamiento de semen porcino para uso en inseminación artificial: Metabolismo espermático, almacenamiento y control de calidad

Por Delmis Omar Camargo Rodriguez

 Este libro no solamente aborda la inseminación artificial en cerdos, también trata sobre lo que le pasa a una muestra de semen animal porcino una vez ingresa al laboratorio. Concretamente, la temática se ciñe, por un lado, a la identificación de los aspectos más críticos que amenazan el procesamiento del semen que se surte en el laboratorio, y, por el otro, al abordaje de las innovaciones conceptuales y prácticas que han demostrado ser las más efectivas en el proceso de convertir una muestra de semen porcino recién colectado en una muestra de semen diluido y refrigerado listo para usar, mediante un proceso cuyo objetivo es garantizar un deterioro mínimo de la calidad biológica de la muestra original. 

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Fecha de lanzamiento: 1 mar 2022
• ISBN: 9789587947922

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© Universidad Nacional de Colombia

© Editorial Universidad Nacional de Colombia

© Delmis Omar Camargo Rodríguez

Editorial Universidad Nacional de Colombia

Gustavo Adolfo Silva Carrero

Director

Comité editorial

Gustavo Adolfo Silva Carrero

Ana Patricia Noguera de Echeverry

Fabio Andrés Pavas Martínez

Veronique Claudine Bellanger

Fredy Fernando Chaparro Sanabria

Jairo Iván Peña Ayazo

Pedro Nel Benjumea Hernández

Primera edición, marzo de 2022

ISBN 978-958-794-741-0 (rústico)

ISBN 978-958-794-792-2 (e-book)

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia

[e-mail]

www.editorial.unal.edu.co

Colección Techné

Diseño de la colección: Andrea Kratzer M.

Coordinación editorial: Liliana C. Guzmán Rios

Diagramación: Henry Ramírez Fajardo

Corrección de estilo: Anyeli Rivera Tancón

Conversión a ePub

Mákina Editorial

https://makinaeditorial.com

Bogotá, D. C., Colombia, 2022

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.

Impreso y hecho en Bogotá, D. C., Colombia

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Camargo Rodríguez, Delmis Omar, 1965-

Procesamiento de semen porcino para uso en inseminación artificial : metabolismo espermático, dilución, almacenamiento y control de calidad / Delmis Omar Camargo Rodríguez. -- Primera edición. -- Bogotá : Editorial Universidad Nacional de Colombia, 2022.

1 CD-ROM (198 páginas) : ilustraciones (principalmente a color), diagramas. -- (Techné)

Incluye referencias bibliográficas e índice temático

ISBN 978-958-794-792-2 (e-pub)

1. Semen 2. Cerdo 3. Inseminación artificial 4. Espermatozoo 5. Diluyentes de esperma 6. Conservación del semen 7. Control de calidad I. Título II. Serie

CDD-23 636.408245 / 2022

A Alejandra

«Para ochocientos millones de personas que esta noche se van a la cama con hambre, la comida es medicina»

Yemi Akinbamijo

Contenido

Prefacio

Introducción

Parte I

El metabolismo energético del espermatozoide

Capítulo 1. Antecedentes y estado del arte

Capítulo 2. La respiración celular

Preguntas del grupo 1: sobre el origen, distribución y uso del

ATP

Preguntas del grupo 2: sobre el origen de y preferencia por los sustratos energéticos

Preguntas del grupo 3: sobre el significado de las diferencias espermáticas interespecies

Capítulo 3. El trifosfato de adenosina (

ATP

): origen, distribución y uso. Preguntas del grupo 1

La compartimentación del espermatozoide

La fosforilación oxidativa (Oxphos) como principal fuente de

ATP

para la movilidad espermática

La glucólisis anaerobia como principal fuente de

ATP

para la movilidad espermática

Capítulo 4. Los sustratos energéticos: origen y preferencias. Preguntas del grupo 2

Capítulo 5. Las diferencias espermáticas interespecie: significado e implicaciones. Preguntas del grupo 3

Capítulo 6. El metabolismo energético del espermatozoide porcino

La principal ruta metabólica asociada con la movilidad de los espermatozoides porcinos no capacitados

Los sustratos energéticos y las preferencias del espermatozoide porcino

Capítulo 7. La cinemática espermática

Análisis de semen asistido por computador o Computer-assisted semen analysis (

CASA

)

Parte II

Los diluyentes y la dilución de semen porcino

Capítulo 8. ¿Qué es un diluyente de semen?

Capítulo 9. El pH

Capítulo 10. La osmolaridad

Capítulo 11. Los antioxidantes y el daño oxidativo

Capítulo 12. Los antibióticos y la contaminación bacteriana

Capítulo 13. Alternativas para el control bacteriano en el semen porcino diluido

Capítulo 14. Preparación y uso del diluyente: control de calidad

Capítulo 15. El agua

Capítulo 16. La higiene

Capítulo 17. La dilución del semen: tasa de dilución, tiempo, temperatura y método

Capítulo 18. Los costos de los diluyentes

Conclusiones

Referencias

Índice temático

Lista de figuras

Figura 1. Ganancia neta estimada de

ATP

durante la respiración celular

Figura 2. Esquema sobre las principales áreas morfológicas del espermatozoide mamífero

Figura 3. Compartimentalización subcelular de la Oxphos y la glucólisis en espermatozoides

Figura 4. Referencia del trayecto celular

Figura 5. Comparación de espermatozoides hiperactivos y no hiperactivos

Figura 6. Hipermovilidad inducida por la temperatura (

TIH

) de los espermatozoides porcinos

Figura 7. Movilidad (%) del semen porcino líquido almacenado durante largos periodos de tiempo (0, 24, 48, 72 y 96 horas) a 25 °C, 20 °C, 15 °C y 10 °C

Figura 8. Cambios en el pH de dos diluyentes de semen durante los primeros 90 minutos después de la preparación

Figura 9. Valores pKa de búferes biológicos (25 °C, 100 mM)

Figura 10. Efecto del pH sobre la movilidad espermática

Figura 11. Actividad de la

ATP

asa Na+/K+ espermática y su relación con el pH del medio

Figura 12. Contenido de

ATP

,

ADP

y

AMP

de espermatozoides porcino y medio después del almacenamiento de semen en diluyente

BTS

Figura 13. Diagrama de flujo del proceso y los nueve puntos de control crítico de higiene seleccionados durante la producción de semen porcino

Figura 14. Tipos de aglutinación espermática

Figura 15. Esquema sobre el flujo del proceso desde la producción hasta el uso en inseminación artificial de semen porcino diluido

Figura 16. Participación de los diferentes componentes del

BTS

en su precio de producción

Lista de tablas

Tabla 1. Formulación de los diluyentes Milovanov para semen porcino

Tabla 2. Dimensiones lineales (μM) de espermatozoides mamíferos

Tabla 3. Sustratos energéticos de diluyentes de semen porcino comerciales

Tabla 4. Parámetros de cinemática espermática definidos por el sistema

CASA

Tabla 5. Variables promedio de velocidad de espermatozoides porcinos incubados por tres horas en medios no capacitante (

TBM

) y capacitante (

TCM

)

Tabla 6. Valores umbral de espermatozoides porcinos hiperactivados

Tabla 7. Parámetros cinemáticos para espermatozoides porcinos hiperactivos y no hiperactivos evaluados mediante

CASA

Tabla 8. Valores promedio de los parámetros de movilidad de espermatozoides porcinos medidos mediante el sistema

CASA

los días 1, 2 y 3 de almacenamiento

Tabla 9. Componentes principales de los diluyentes de semen porcino

Tabla 10. Búferes presentes en algunos diluyentes comerciales de semen porcino

Tabla 11. pH de algunos diluyentes comerciales de semen porcino

Tabla 12. Osmolaridad en algunos diluyentes comerciales de semen porcino

Tabla 13. Sustancias con capacidad antioxidante incluidas en la formulación de algunos diluyentes comerciales de semen porcino

Tabla 14. El efecto del tiempo de almacenamiento sobre la concentración de

ATP

y la movilidad espermática (media ±

SEM

) del semen diluido en el diluyente

BTS

Tabla 15. Coeficiente de correlación de rango de Spearman (Rs) entre las variables analizadas de espermatozoides porcinos almacenados en varias temperaturas (5 °C, 16 °C y 25 °C) durante diez días ( n = 144)

Tabla 16. Grupo de las doce especies bacterias comúnmente aisladas de semen porcino diluido

Tabla 17. Dinámicas de crecimiento en el tiempo de las bacterias Achromobacter xylosoxidans y Serratia marcescens en tres temperaturas de incubación

Tabla 18. Antibióticos incluidos en la formulación de algunos diluyentes comerciales de semen porcino

Tabla 19. Tipo, frecuencia y sensibilidad a los antibióticos de las bacterias aisladas de 88 eyaculados de cerdo contaminados diluidos con

BTS

Tabla 20. Clasificación del agua de acuerdo con sus características fisicoquímicas, especificaciones según la norma

ASTM

1193:2001

Tabla 21. Clasificación del agua de acuerdo con sus características microbiológicas

Tabla 22. Protocolo de técnica de contaminación mínima estándar para colecta de semen de cerdo

Tabla 23. Comparación de dos técnicas de dilución de semen porcino: el diluyente adicionado al semen (A) y el semen adicionado al diluyente (B)

Tabla 24. Precio comercial de algunos diluyentes de semen porcino

Tabla 25. Costos de producción del

BTS

en Estados Unidos y en Colombia

Prefacio

En el contexto de la producción y consumo de alimentos de origen animal, en 2020, la carne de cerdo se ubicó en el segundo lugar a nivel global, después del pollo y, en el tercer lugar a nivel nacional, después del pollo y la res; sin embargo, la tendencia creciente que registra el consumo per cápita nacional de carne de cerdo sugiere que, al final de la presente década, este podría ubicarse en el segundo lugar en el ranking de las carnes más consumidas por los colombianos.

De acuerdo con el censo pecuario 2020 del Instituto Colombiano Agropecuario (

ICA

), en Colombia la población porcina alcanza las 6 710 666 cabezas, distribuidas así: un 60.9 % en predios tecnificados y el restante 39.1 % en explotaciones de traspatio. Este inventario equivale a 2.7 veces el inventario que se registraba en 2010, lo que en términos comerciales implicó pasar de producir 194 000 toneladas de carne de cerdo en 2010 a las cerca de 500 000 toneladas en 2020. Innovaciones tecnológicas relacionadas con los sistemas de registro y gestión de la información, salud y bioseguridad, genética y reproducción, formulación de dietas y el refinamiento en los requisitos de nutrientes y en instalaciones y ambientes, entre otros, han contribuido al aumento de la productividad de la industria y a posicionarla en el lugar en que se encuentra hoy.

La incorporación de técnicas mejoradas de inseminación artificial a las prácticas de uso rutinario en las granjas colombianas, así como de innovaciones en materia de colecta y almacenamiento de semen y de diseño y uso de diluyentes, han contribuido de manera decisiva a dicho crecimiento, que en la práctica se ha traducido en un menor tiempo por inseminación, menor número de espermatozoides por dosis, menor número de reproductores, es decir, el progreso genético es más acelerado.

Dado que la inseminación artificial porcina se basa en semen diluido, almacenado en condiciones de refrigeración (15 °C-17 °C), la industria de los diluyentes de semen porcino se encamina hacia la producción de diluyentes que permitan almacenar el semen refrigerado durante más tiempo y, concomitantemente, mejorar la preservación de la integridad y la funcionalidad de la célula espermática porcina mantenida a bajas temperaturas.

Los principales desarrollos en materia de diseño de diluyentes se concentran en mejorar la capacidad fertilizante del semen diluido basada en las investigaciones adelantadas en dos frentes: 1) los efectos tanto de la dilución, las bajas temperaturas y de la composición del diluyente sobre el metabolismo energético, la oxidación celular, el intercambio iónico (osmolaridad y pH), el choque térmico y el crecimiento bacteriano, entre otros, y 2) la búsqueda y ensayo de moléculas que, en función del propósito principal, puedan ser incluidas en la formulación de un diluyente en función de su costo/beneficio.

Este libro está dirigido a técnicos, estudiantes, investigadores, desarrolladores y profesionales de las ciencias animales, biológicas y químicas conectados de alguna forma con el promisorio campo de la inseminación artificial. Aspiro a que sea instructivo a empresas tan complejas como el diseño de un diluyente para semen porcino o tan simples como la elección de uno comercial e indicar su uso adecuado. Cualquiera de estas empresas demanda conocimientos básicos relacionados con el control de la presión osmótica, el mantenimiento y regulación del pH, la protección contra el choque térmico y la lipoperoxidación de las membranas, la prevención del crecimiento bacteriano y la identificación y control de otros factores físicos y químicos que afectan el resultado final del proceso, ante lo cual, precisamente, los propósitos del presente libro son brindar al lector los conceptos básicos actualizados que debe tener en cuenta para la optimización de los procesos relacionados con la manipulación de semen porcino fresco con fines de inseminación artificial (principalmente la dilución y el almacenamiento) y, además, proporcionar los criterios para seleccionar o fabricar un diluyente. Finalmente, este texto busca promover la investigación básica y aplicada relacionada con el manejo adecuado del semen porcino fresco y con el diseño y producción de diluyentes a nivel de granja como medio para reducir los costos de producción y la dependencia tecnológica.

Introducción

La adopción de tecnología por parte de la industria de la producción de carne de cerdo ha permitido grandes mejoras en los últimos cuarenta años, las cuales se ven claramente reflejadas en la combinación de dos indicadores: la mayor productividad de las cerdas y el peso de mercadeo. Actualmente, en una granja promedio de los Estados Unidos se produce alrededor de 1800 kg pv/cerda/año comparado con los aproximadamente 800 kg que se producían en 1980 [1].

Innovaciones tecnológicas relacionadas con los sistemas de registro y gestión de la información, salud y bioseguridad, genética y reproducción, formulación de dietas y el refinamiento en los requisitos de nutrientes y en instalaciones y ambientes, entre otros, han contribuido a una mayor productividad de la industria y a posicionarla como la carne de mayor consumo y crecimiento global, comparada con las carnes de res y de pollo, no obstante, se prevé que la carne de pollo pasará al primer lugar a inicios de la próxima década, la carne de cerdo se mantendrá en un significativo segundo lugar con una participación de alrededor de una tercera parte en el mercado mundial de esas carnes [2].

Actualmente, la eficiencia de la producción comercial y, en última instancia, las ganancias en la industria porcina están indefectiblemente ligadas al uso rutinario de la inseminación artificial (

IA

), biotecnología que, gracias a los avances logrados en los campos de la genómica, los procesos de colecta y almacenamiento de semen y en el mismo método de

IA

, supera con creces los indicadores obtenidos mediante el servicio natural porque facilita los cambios en los programas genéticos, es asequible, y además, es fácil de aprender e implementar por sus razonables costos. Estas ventajas comparativas tienden a consolidarse en función de los desarrollos tecnológicos alcanzados, por un lado, en las tecnologías genómicas en fase de consolidación como la selección mediante Best Linear Unbiased Predictions (

BLUP

) o de experimentación como el mapeo genético y la edición de genes mediante Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (

CRISPR

) y, por el otro, en lo relacionado con la técnica misma de la inseminación (inseminación poscervical e inseminación uterina profunda) y con las mejoras en el diseño de los diluyentes [3]. Esto en la práctica se traducirá en un menor tiempo por inseminación, menor número de espermatozoides por dosis, menor número de reproductores, lo cual implica un progreso genético más acelerado.

Respecto a la industria de los diluyentes, los aportes en el campo de la porcicultura han implicado la producción de diluyentes de semen porcino que permiten almacenar durante más tiempo el semen refrigerado y, concomitantemente, permiten reservar la integridad y la funcionalidad de la célula espermática porcina mantenida a bajas temperaturas. Actualmente, el semen diluido para efectos de

IA

porcina es envasado en dosis de 80 mL-100 mL por 5 días a menos de 16 °C-18 °C.

Para el caso de espermatozoides sometidos a ambientes artificiales, como lo es la dilución/almacenamiento a bajas temperaturas con fines de preservación, es importante recordar al menos dos aspectos básicos de la fisiología espermática que definen, en gran medida, los resultados obtenidos. El primero es que los espermatozoides de mamíferos, al menos de nuestras especies domésticas más comunes, no son células diseñadas para una vida a largo plazo, lo cual implica que los mecanismos