Impact of Alcohol and Cigarette smoking on sperm quality and their influence on male infertility

Abstract

To be able to swim through the reproductive tracts and fertilize the egg, the spermatozoa DNA go through cellular and nuclear changes during spermatogenesis. One of these changes is chromatin repackaging so that 15% of sperm DNA will remain compacted with histone proteins and 85% compacted with protamines. Beside its importance for the fertilization process, chromatin condensation inactivates most of the paternal genes to protect the paternal genome from external damages. Two lifestyle habits that threaten human health are tobacco smoking and alcohol consumption. Different studies have demonstrated the negative effects of these two factors on male reproductive health. The purposes of the present study were to investigate the impact of cigarrete smoking, acohol intake on semen parameters determined by standard parameters (WHO, 2010), sperm DNA maturity assessed by Chromomycine staining CMA3, Sperm DNA fragmentation evaluated by TUNEL Assay and secondly to determine whether tobacco smoking or alcohol consumption is more harmful fur sperm quality by comparing semen parameters, DNA maturityand DNA fragmentation betweein smokes group and Alcohol consumer group among infertile men. According to the number and volume of cigarettes smoked in one day and in a year the duration of cigarettes smoked, the participants were categorized to heavy-smoker participants (n=48) patients who smoke one pack/day or more at least for ten years or two pack/ day at least for five years, and non-smokers (n=70) who did not smoke. On the other hand, the measurement used for alcohol intake was estimated by the units of alcohol consumed: 1 alcohol consumption unit was taken and considered as follow: 100 millilitres (ml) wine, and beer one unit equals 200ml, 30 ml of whisky or either vodka. According to alcohol consumption, patients were divided into two groups: non-drinkers (n=41) and heavy alcohol consumers (> 7 units/week) (n=52). All of participant in this study underwent semen analysis according to the 5th WHO criteria. Semen parameters, including semen volume, sperm concentration, total sperm count, motility (A+B) and morphology, Sperm maturity (CMA 3) and DNA fragmentation, TUNEL –Test) were investigated. Cigaratte smoking and Alcohol consumption were assessed by questionnaire. Cigarette smoking (≥20 cigarette/per day for 10 years) whereas heavy drinkers (≥9 units/week). The present study demonstrates that smoking adversely affects sperms (volume, density, membrane, and sperm DNA integrity) in men attending assisted reproduction programs. The semen parameters were significantly higher in nonsmokers than in smokers. The total motility (PR+NP) in smokers was 24.27 ± 31.32 % vs. 37.86 ± 14.00% (p < 0.0001). The same was observed for sperm vitality (36.2 ± 18.56% vs. 42.9 ± 17.74%; p = 0.035), membrane integrity (41.6 ± 18.6% vs. 56.2 ± 18.6 %; p = 0.0001), and morphologically normal sperm (28.8 ± 11.8% vs. 44.13.85%; p < 0.0001). By comparing the level of protamine deficiency and sDF between smokers and non-smokers, the results showed that protamine deficiency was significantly higher in smoker in comparison to non –smoker group (33.27 ± 8.6% vs. 26.00 ± 8.28%; p<0.0001) and the sDF also was significantly higher in smokers (15.55 ± 3.33%) in comparison to non-smokers group (8.91 ± 4.15% p < 0.0001). By comparing the sperm parameters between the drinker (n=52) and non drinker group (n=41), the data showed that sperm count (53.519 ± 32.67 mill/ml), total sperm motility (23.75 ±10.750%), sperm vitality (34.62 ± 16.652), membrane functional integrity (45.96 ± 17.99%) and morphologically normal spermatozoa (27.06 ± 13.136%), were significantly lower in drinker group than in non-drinker group (73.244 ± 30.5219mill/ml; 35.00 ± 19.17%; 45.24 ± 18.47%; 58.54 ± 18.345% and 35.95 ± 11.97% respectively). However, Protamin deficiency CMA3+ (37.03 ± 9.75%) and Sperm DNA fragmentation sDF (22.37 ± 7.60%) were significantly higher in drinker in comparison to non-drinker (24.76 ± 7.44% and 11.98 ± 5.17%; p <0.0001respectively). By comparing the deterioration effect of smoking and drinking groups, no significant difference in the semen analysis parameters was observed between the smoker and drinker groups (semen volume 3.20 ±1.43 (ml), semen count 65.8 ±31. 32(mill/ml)), Total motility (24. 27 ± 8. 18%), Sperm vitality (36.15 ±18. 57%), functional integrity (41.6 ± 18.6) and the mean percentage of morphologically normal spermatozoa (28.77 ± 11.82% vs. 2.81± 1.56 (ml), (53.51±32.67 (mill/Ml), 23.75±1.75 (%), 34.62± 16.7(%), 45. 96±17.9% and 27.1±13.13 respectively). However, Protamine deficiency was significantly higher in the drinker group in comparison to the smokers (37.03 ± 9.75 vs. 33.27 ± 8.56, p=0.02). Similarly, the sDF was significantly higher in the drinker in comparison to the smoker group (22.37 ± 7.602 vs. 15.55 ± 3.33, p < 0.0001). These findings suggest that cigarette smoking and heavy alcohol intake deteriorate sperm parameters in men seeking infertility treatment. However, alcohole consumption deteriorates sperm maturity (CMA3) and damage DNA integrity significantly higher than cigarette smoking.

Um durch die Fortpflanzungsorgane schwimmen und die Eizelle befruchten zu können, durchläuft die Spermatozoen-DNA während der Spermatogenese zelluläre und nukleare Veränderungen. Eine dieser Änderungen ist die Neuverpackung des Chromatins, so dass 15 % der Spermien-DNA mit Histonproteinen und 85 % mit Protaminen kompaktiert bleiben. Neben seiner Bedeutung für den Befruchtungsprozess inaktiviert die Chromatinkondensation die meisten väterlichen Gene, um das väterliche Genom vor äußeren Schäden zu schützen. Zwei Lebensgewohnheiten, die die menschliche Gesundheit bedrohen, sind Tabakrauchen und Alkoholkonsum. Verschiedene Studien haben die negativen Auswirkungen dieser beiden Faktoren auf die männliche reproduktive Gesundheit gezeigt. Die Zwecke der vorliegenden Studie waren die Bestimmung des Einflusses des Zigarettenrauchens bzw. des Alkoholkonsums auf die durch Standardverfahren bestimmten Samenparameter (WHO 2010), die mittels Chromomycin-Färbung CMA3 bewertete Spermien-DNA-Reife und die durch den TUNEL-Assay bewertete Spermien-DNA – Fragmentierung. Es soll festgestellt werden, ob Tabakrauchen oder Alkoholkonsum schädlicher für die Spermienqualität ist, indem Samenparameter, DNA-Reife und DNA-Fragmentierung zwischen der Rauchergruppe und der Alkoholkonsumentengruppe bei unfruchtbaren Männern verglichen werden. Zweihundertelf (n=211) Männer im gebärfähigen Alter, die eine Fruchtbarkeitsbehandlung im Prince Rashid Ben Al Hassan Military Hospital in der jordanischen Stadt Irbid aufsuchten, wurden in diese Studie eingeschlossen. Nach Anzahl und Menge der an einem Tag gerauchten Zigaretten und in einem Jahr nach der Dauer der gerauchten Zigaretten wurden die Teilnehmer in stark rauchende Teilnehmer (n=48) Patienten eingeteilt, die mindestens zehn Jahre lang eine Packung/Tag oder mehr rauchten oder Zweierpackungen/Tag mindestens für fünf Jahre und Nichtraucher (n=70), die nicht geraucht haben. Andererseits wurde das Maß für den Alkoholkonsum anhand der Einheiten des konsumierten Alkohols geschätzt: 1 Einheit Alkoholkonsum wurde genommen und wie folgt betrachtet: 100 Milliliter (ml) Wein und Bier eine Einheit entspricht 200 ml, 30 ml Whisky oder whisk entweder Wodka. Nach dem Alkoholkonsum wurden die Patienten in zwei Gruppen eingeteilt: Nichttrinker (n=41) und starke Alkoholkonsumenten (> 7 Einheiten/Woche) (n=52). Alle Teilnehmer dieser Studie wurden einer Samenanalyse nach den 5. WHO-Kriterien unterzogen. Es wurden Samenparameter wie Samenvolumen, Spermienkonzentration, Gesamtspermienzahl, Motilität (A+B) und Morphologie, Spermienreife (CMA 3) und DNA-Fragmentierung, TUNEL-Test) untersucht. Zigarettenrauchen und Alkoholkonsum wurden per Fragebogen erfasst. Zigarettenrauchen (≥20 Zigaretten/Tag für 10 Jahre), während starke Trinker (≥9 Einheiten/Woche). Die vorliegende Studie zeigt, dass Rauchen die Spermien (Volumen, Dichte, Membran und Spermien-DNA-Integrität) bei Männern, die an Programmen zur assistierten Reproduktion teilnehmen, nachteilig beeinflusst. Die Samenparameter waren bei Nichtrauchern signifikant höher als bei Rauchern. Die Gesamtmotilität (PR+NP) bei Rauchern betrug 24,27 ± 31,32 % vs. 37,86 ± 14,00 % (p < 0,0001). Das gleiche wurde für die Spermienvitalität (36,2 ± 18,56 % vs. 42,9 ± 17,74 %; p = 0,035), die Membranintegrität (41,6 ± 18,6 % vs. 56,2 ± 18,6 %; p = 0,0001) und morphologisch normale Spermien (28,8 ± 11.8%) beobachtet 11,8 % vs. 44,13,85 %; p < 0,0001). Durch den Vergleich des Ausmaßes von Protaminmangel und sDF zwischen Rauchern und Nichtrauchern zeigten die Ergebnisse, dass der Protaminmangel bei Rauchern im Vergleich zur Nichtrauchergruppe signifikant höher war (33,27 ± 8,6% vs. 26,00 ± 8,28 %; p<0,0001) und der sDF war auch bei Rauchern (15,55 ± 3,33%) signifikant höher im Vergleich zur Nichtrauchergruppe (8,91 ± 4,15% p < 0,0001). Durch den Vergleich der Spermienparameter zwischen der Trinker- (n=52) und der Nichttrinkergruppe (n=41) zeigten die Daten, dass die Spermienzahl (53,519 ± 32,67 Mio (34,62 ± 16,652), Membranfunktionsintegrität (45,96 ± 17,99 %) und morphologisch normale Spermatozoen (27,06 ± 13,136 %) waren in der Trinkergruppe signifikant niedriger als in der Nichttrinkergruppe (73,244 ± 30,5219 Mio./ml; 35,00 ± 19,17 %). ; 45,24 ± 18,47 %; 58,54 ± 18,345% bzw. 35,95 ± 11,97%). Allerdings waren der Protaminmangel CMA3+ (37,03 ± 9,75 %) und die Spermien-DNA-Fragmentierung sDF (22,37 ± 7,60 %) bei Trinkern signifikant höher im Vergleich zu Nichttrinkern (24,76 ± 7,44 % und 11,98 ± 5,17 %; p <0,0001). Beim Vergleich der Verschlechterungswirkung von Raucher- und Trinkergruppen wurde kein signifikanter Unterschied in den Samenanalyseparametern zwischen den Raucher- und Trinkergruppen beobachtet (Samenvolumen 3,20 ± 1,43 (ml), Samenzahl 65,8 ± 31,32 (Mill/ml)) , Gesamtmotilität (24, 27 ± 8, 18 %), Spermienvitalität (36,15 ± 18, 57 %), funktionelle Integrität ( 41,6 ± 18,6) und der mittlere Prozentsatz morphologisch normaler Spermatozoen (28,77 ± 11,82 % vs. 2,81 ± 1,56 1. (ml), (53,51 ± 32,67 (Mill/ml), 23,75 ± 1,75 (%), 34,62 ± 16,7 (%), 45, 96 ± 17,9 % bzw. 27,1 ± 13,13). Trinkergruppe im Vergleich zu den Rauchern (37,03 ± 9,75 vs. 33,27 ± 8,56, p=0,02) Ebenso war der sDF in der Trinkergruppe im Vergleich zur Rauchergruppe signifikant höher (22,37 ± 7,602 vs. 15,55 ± 3,33, p < 0,0001). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Zigarettenrauchen und starker Alkoholkonsum die Spermienparameter bei Männern, die eine Unfruchtbarkeitsbehandlung suchen, beeinträchtigen. Alkoholkonsum verschlechtert jedoch die Spermienreife (CMA3) und schädigt die DNA-Integrität deutlich stärker als das Rauchen von Zigaretten.