Sicurezza ed efficacia della fotobiomodulazione con luce visibile e nel vicino infrarosso sugli ovociti di Paracentrotus lividus: uno studio dose-effetto ontogenetico sul recupero della fecondazione e sull’eredità metabolica materna

Abstract

La fotobiomodulazione (FBM), basata sull’esposizione a luce laser a bassa energia, è una tecnica innovativa per migliorare la qualità dei gameti e supportare la fecondazione assistita. Sebbene i suoi effetti benefici sui gameti maschili siano noti, poco si conosce sull’impatto sugli oociti, in particolare sulla funzionalità mitocondriale, sulla trasmissione energetica all’embrione e sulla modulazione metabolica durante la transizione materno-zigotica (MZT). In questo studio, condotto sul riccio di mare Paracentrotus lividus, è stato analizzato l’effetto della FBM su parametri bioenergetici (ATP, rapporto ATP/AMP, consumo di ossigeno) e sullo stress ossidativo (MDA), in oociti e stadi embrionali successivi. Sono stati utilizzati laser a cinque lunghezze d’onda (450, 635, 810, 940, 1064 nm) con potenze di 0,25 W e 1 W, analizzando le risposte fino a 24 ore dopo l'irradiazione. I risultati mostrano che la risposta mitocondriale varia in base alla lunghezza d’onda: 1064 nm e 810 nm aumentano significativamente ATP e consumo di ossigeno, mentre 635 nm provoca un’inibizione mitocondriale senza danni ossidativi, grazie ai sistemi antiossidanti endogeni. Gli effetti, seppur transitori, perdurano fino a 24 ore e influenzano anche lo sviluppo embrionale precoce, suggerendo un trasferimento dell’effetto energetico dall’oocita allo zigote. Le lunghezze d’onda 450 nm e 810 nm si sono dimostrate efficaci nel migliorare lo stato metabolico oocitario e embrionale. Inoltre, lo zigote ha mostrato capacità di compensazione metabolica anche dopo esposizione a trattamenti inibitori, indicando meccanismi adattativi attivati al momento della fecondazione. In conclusione, la FBM può modulare selettivamente l’attività mitocondriale e lo stato energetico degli oociti, influenzando positivamente lo sviluppo embrionale precoce. Questi risultati aprono nuove prospettive per l’uso della FBM in ambiti come crioconservazione, manipolazione dei gameti e trasmissione dell’eredità metabolica materna.

Photobiomodulation (PBM), involving low-energy laser light exposure, is an innovative approach to enhancing gamete quality and supporting assisted reproduction. While PBM's benefits on male gametes are well documented, its effects on oocytes, particularly on maternal mitochondrial function, energy transfer to the embryo, and metabolic modulation during the maternal-to-zygotic transition (MZT), are still unclear. In this study, conducted on the sea urchin Paracentrotus lividus, a model organism in developmental biology, PBM effects on bioenergetic parameters (ATP synthesis, ATP/AMP ratio, oxygen consumption) and oxidative stress (MDA) were evaluated in unfertilized oocytes and later embryonic stages (zygote, 16-cell, gastrula, pluteus). Irradiations were performed with lasers at different wavelengths (450, 635, 810, 940, 1064 nm) and powers (0.25 W and 1 W), with analyses up to 24 hours post-treatment. The results showed a wavelength-dependent modulation of mitochondrial activity in oocytes. Specifically, 1064 nm and 810 nm significantly increased ATP synthesis and oxygen consumption, while 635 nm caused a decoupling of oxidative phosphorylation and strong inhibition of mitochondrial activity, without detectable lipid peroxidation, due to antioxidant systems. PBM effects were transient but lasted up to 24 hours, with changes in ATP/AMP ratio influencing early embryonic stages, suggesting energy modulation from oocyte to zygote. PBM at 450 nm and 810 nm improved the metabolic state of oocytes and positively impacted embryonic metabolism post-fertilization. The zygote restored metabolic balance after inhibitory treatments (e.g., 635 nm), indicating compensatory mechanisms activated during fertilization. Overall, PBM selectively modulates oocyte mitochondrial activity and energy status, influencing early embryonic events. This opens new possibilities for PBM use in cryopreservation, gamete manipulation, and metabolic inheritance regulation.