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Morphologie des spermatozoïdes

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9 S P E R M I O L O G I E Andrologie (1997), 7, n ~ 4, 419-426

Morphologie des spermatozoides

MIEUSSET R.

Centre de Stdrilitd Masculine, HSpital de la Grave, 31052 Toulouse Cedex

R E S U M E

La m o r p h o l o g i e d e s s p e r m a t o z o i d e s e s t l'un d e s p a r a m ~ t r e s q u a l i t a t i f s de la s p e r m a t o g e n ~ s e . E n r a i s o n d e s diff6- r e n t e s t e c h n i q u e s u t i l i s 6 e s , de la d6fi- n i t i o n de la n o r m a l i t 6 et d e s d i f f 6 r e n t s t y p e s d ' a n o m a l i e s , l a m o r p h o l o g i e r e s t e trop s o u v e n t u n e c a r a c t 6 r i s t i q u e m a l u t i l i s 6 e e n p r a t i q u e c o u r a n t e . Les a n o m a l i e s m o r p h o l o g i q u e s p e u v e n t ~ t r e d ' o r i g i n e s o i t t e s t i c u l a i r e , s o i t , m a i s c e l a r e s t e ~ p r o u v e r , d ' o r i g i n e p o s t - t e s t i c u l a i r e . L ' 6 t i o l o g i e d e c e s a n o m a l i e s e s t d ' o r d r e g d n 6 t i q u e , et d a n s c e c a s t o u s l e s g a m e t e s s o n t a t t e i n t s , o u c o n s t i t u 6 e p a r u n e p a t h o - l o g i e e n d o g ~ n e d o n t r e x e m p l e le p l u s s o u v e n t 6 v o q u 6 , b i e n q u e n o n formelle- m e n t c o n f i r m 6 , est le v a r i c o c ~ l e . Mais il e x i s t e a u s s i d e s f a c t e u r s e x o g ~ n e s q u i i n d u i s e n t d e s a n o m a l i e s m o r p h o l o - g i q u e s , q u ' i l s s o i e n t d e n a t u r e c h i - m i q u e c o m m e c e r t a i n s m 6 d i c a m e n t s o u i n s e c t i c i d e s , o u p h y s i q u e c o m m e p a r e x e m p l e la c h a l e u r . L ' a n a l y s e de la m o r p h o l o g i e d e s s p e r m a t o z o i d e s a p p o r t e d e s r 6 s u l t a t s q u i o n t u n e utili- td ~ la fois c o m m e i n d i c a t e u r de s a n t 6 d u t e s t i c u l e ( l o r s d ' e x p o s i t i o n ~ d e s a g e n t s c h i m i q u e s o u p h y s i q u e s d'ordre p r o f e s s i o n n e l ) et c o m m e i n d i c a t e u r de la fertilit6 p o t e n t i e l l e , p u i s q u e la mor- p h o l o g i e est corr616e ~ la m o b i l i t 6 d e s g a m b t e s , et i m p l i q u 6 e d a n s la f6conda- t i o n ~ travers la r 6 a c t i o n a c r o s o m i q u e .

M o t s C i d s : S p e r m a t o z o ' ~ ' d e s - M o r p h o l o g i e - F d c o n d i t d - Toxicologie.

INTRODUCTION

Les param~tres qui caract6risent les sper- matozoYdes se r 6 p a r t i s s e n t en d e u x groupes, q u a n t i t a t i f avec la num6ration, qualitatif avec la vitalit6, la mobilit6 et la morphologie. Si les deux premieres caract6- ristiques de la qualit6, vitalit6 et mobilit6, renvoient ~ des valeurs charg6es "positive- m e n t " d a n s n o t r e soci6t6 ( d y n a m i s m e , entreprise, mobilit6 sociale ...) et dans la repr6sentation individuelle (ce que je pro- duis est plein de vie et de mouvement, mon enfant sera plein de sant6), la morphologie des spermatozo~des est p r i n c i p a l e m e n t abord6e sous un angle n6gatif, puisqu'il s'agit essentiellement d'une description et d'une 6num6ration des formes anormales, c'est-~-dire la mise en 6vidence d'anoma- lies, de monstruosit6s, qui renvoient d'une part ~ la norme sociale, avec tout ce qu'elle p e u t avoir de subjectif, et donc de fluc- t u a n t , d'impr6cis, voire de parti pris, et d ' a u t r e part individuellement ~ l'angois- sante question de la survenue d'un enfant tout aussi mal form6 que les s p e r m a t o - zo~des.

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t e r m i n e r o n s en p r ~ s e n t a n t d e u x utilisa- t i o n s p o s s i b l e s de l ' a n a l y s e m o r p h o l o - g i q u e , h s a v o i r c o m m e i n d i c a t e u r de f~condit~ in vivo et comme i n d i c a t e u r de "sant~".

QU'EST-CE QUE L'ANALYSE MORPHOLOGIQUE DES

SPERMATOZOIDES ?

C'est l'dtude d e s c r i p t i v e de la f o r m e des s p e r m a t o z o i d e s h p a r t i r d ' u n d c h a n t i l l o n r e p r ~ s e n t a t i f d'un ~jaculat, h p a r t i r d'un ~ t a l e m e n t s u r l a m e p u i s c o l o r a t i o n des spermatozoides fixes. Le r~sultat de cette a n a l y s e est la d i s t r i b u t i o n des s p e r m a t o - zoides en deux groupes, les n o r m a u x et les anormaux, ces derniers faisant par ailleurs l'objet d'une classification selon les types d'anomalies.

C e t t e a n a l y s e m o r p h o l o g i q u e soul~ve de n o m b r e u s e s q u e s t i o n s m ~ t h o d o l o g i q u e s c o m p r e n a n t la variabilit~ du sperme et les facteurs techniques de variation, la varia- bilit~ des rdsultats d'une ~quipe h l'autre (voir D. Clavert et A. Bourguignat), la d~fi- n i t i o n des crit~res de n o r m a l i t d selon la t e c h n i q u e u t i l i s ~ e (voir D. Le L a n o u ) . Toutes ces questions sont loin d'etre r~so- lues actuellement. Et quelles que soient les i n c e r t i t u d e s et les impr~cisions des diffd- rentes techniques d'analyse et d'objets ~tu- di~s, elles font toutes appara~tre une liste d'anomalies qui caractdrisent les spermato- zoides anormaux.

Rappelons enfin une notion encore trop mal connue : la morphologie des spermatozo/des n'est pas un param~tre constant dans l'~ja- culat d'un h o m m e donn~ : la d~monstration en a ~t~ faite sur 5 djaculats successifs chez 10 h o m m e s fdconds [45] et sur 5 djaculats m e n s u e l s chez 45 h o m m e s f e r t i l e s [44]. Aucune analyse n'a ~td rapportde chez les h o m m e s inf~conds q u a n t h la stabilit~ du p o u r c e n t a g e de f o r m e s n o r m a l e s , ni des types d'anomalies.

ORIGINE DES ANOMALIES MORPHOLOGIQUES DES

SPERMATOZOIDES

Ces a n o m a l i e s p e u v e n t ~tre class~es en deux grands groupes selon leur lieu de sur- venue testiculaire ou post-testiculaire. 1. Les anomalies testiculaires

Ce sont des malformations qui surviennent lors de la spermatogen~se

a) le plus souvent lors de la spermiog~n~se, avec au niveau :

9 de la t~te : les a n o m a l i e s de f o r m e du n o y a u ( a l l o n g d , a m i n c i ) ou l ' a b s e n c e d'acrosome [14] ;

9 de la piece interm~diaire : les angulations d u flagelle, qui s o n t u n e i m p l a n t a t i o n a n o r m a l e de la piece c o n n e c t i v e s u r la t~te ou une anomalie de relation topogra- phique entre capitulum et colonnes seg- ment~es [49], mais aussi l'absence appa- r e n t e ou la finesse de la piece i n t e r m d - diaire qui donne l'impression que la piece principale s'implante directement dans la t~te [49]. Cette derni~re anomalie t r a d u i t une absence de mitochondries au niveau de la PI, anomalies s u r v e n a n t aux der- niers stades de la spermiog~n~se (sper- matides fig~es, [42]).

9 de la piece principale avec les flagelles courts ou irrdguliers (15).

b) mais aussi lors des phases ant~rieures h la s p e r m i o g ~ n ~ s e c o m m e les s p e r m a t o - zoides h double t~te, t r a d u i s a n t une anoma- lie de la mitose des spermatocytes II, ou les spermatozoYdes macrocdphales [13].

2. Les anomalies post-testiculaires

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avancent rabsence de toute alteration mor- phologique lors du t r a n s i t et/ou stockage ~pididymaire [18].

CAUSES POTENTIELLES DE CES ANOMALIES

On peut distinguer 3 types de causes diff~- rentes ~ ces anomalies :

1. A n o m a l i e s gdndtiques

Une participation g~n~tique a ~t~ rapport~e en ce qui concerne des anomalies morpholo- giques sp~cifiques : il s'agit des spermato- zoa'des avec absence d'acrosome [17] et des pinhead spermatozoides ou spermatozoides sans t~te [2]. On dolt n o t e r toutefois que pour ~tre d'origine g~n~tique, cette anomalie dolt toucher l'ensemble des spermatozo~des. Les t r a v a u x de M a r t i n et R a d e m a k e r [32] ont montr~ qu'il n'y avait pas de relation entre la proportion de spermatozoides mor- phologiquement a n o r m a u x et la proportion d'anomalies chromosomiques, que ce soit la fr~quence totale des anomalies ou les ano- m a l i e s c h r o m o s o m i q u e s n u m ~ r i q u e s et structurales. A noter c e p e n d a n t que cette ~tude n'a ~t~ r~alis~e que chez des hommes f~conds.

Bien qu'il ne semble pas exister de relation e n t r e a n o m a l i e s g ~ n i q u e s et m o r p h o l o - giques [4], une ~tude r~cente [19] rapporte u n e ~l~vation s i g n i f i c a t i v e de p l u s i e u r s a n o m a l i e s m o r p h o l o g i q u e s des s p e r m a t o - zoades chez 25 p~res d'un enfant avec hypo- spadias isol~ par comparaison avec 50 p~res appari~s d'enfant sans hypospadias, l'hypo- spadias isol~ ~tant attribu~ ~ une predispo- sition g~n~tique ~ expression favoris~e par des facteurs environnementaux.

2. P a t h o l o g i e s e n d o g ~ n e s

Un pourcentage ~lev~ de spermatozo~des de forme anormale a ~t~ ~voqu~ dans le cas de varicoc~le par certains a u t e u r s [31], mais non retrouv~ par d ' a u t r e s [22]. Toutefois

cette discordance entre les r~sultats des dif- f~rentes ~tudes n'exclut en rien une altera- tion de la forme des spermatozo~des dans ces a f f e c t i o n s a n d r o l o g i q u e s . E n e f f e t , comme le pourcentage d'anomalies est tr~s souvent associ~ ~ une infertilitY, la r~f~ren- ce p o u r r a i t se situer dans la comparaison de d e u x p o p u l a t i o n s d ' h o m m e s f~conds (dans lesquelles les pourcentages d'anoma- lies, quels qu'ils soient, ne sont pas source d'inf~condit~) avec et sans varicoc~le. 3. P a t h o l o g i e s exogbnes

I1 s'agit des expositions ~ des facteurs exo- g~nes a y a n t un effet d~l~t~re sur la forme des spermatozoides.

a) Agents chimiques

9 M ~ d i c a m e n t s

Le plus connu d'entre eux est la sulfasalazi- ne, utilis~e dans le t r a i t e m e n t de la RCH, qui i n d u i r a i t e n t r e a u t r e des a n o m a l i e s morphologiques des spermatozo~des ~ type de macroc~phalie associ~e ~ une nucl~oma- lacie [25, 46]. L ' a f f e c t i o n en e l l e - m ~ m e pourrait ~tre impliqu~e dans ces anomalies par certains a u t e u r s [24], mais la substitu- tion par la mesalazine montre une r~cup~- ration de la morphologie [40].

9 Toxiques c h i m i q u e s et industriels

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- Les soudeurs (aciers doux ou inoxydables) sont expos6s aux fum6es toxiques li6es la s o u d u r e . Ils ont u n p o u r c e n t a g e de formes anormales augment6 par rapport aux t6moins en ce qui concerne les aciers d o u x a v e c u n p o u r c e n t a g e de f o r m e s a n o r m a l e s qui a u g m e n t e s i g n i f i c a t i v e - ment avec la dur6e d'exposition [5]. - Fibres artificielles : l'exposition au carbo-

ne disulphide induit des troubles s6v~res (polyn6vrites) ainsi qu'une t6ratozoosper- mie chez 31 hommes expos6s compar6s 31 tdmoins [31]. Ceci ne fut pas confirm6 par d'autres auteurs, mais le taux de par- ticipation ~ l'6tude fut de < 50% chez les expos6s [34].

- "Agent orange" : les soldats a m 6 r i c a i n s a y a n t servi au Vietnam et expos6s ~ des armes chimiques du type "agent orange" prdsentent des anomalies morphologiques c a r a c t 6 r i s t i q u e s , a v e c u n e r 6 d u c t i o n significative du pourcentage de spermato- zo~des ~ t6te normale [10].

9 Agents physiques

Une 616vation induite de la tempdrature cor- porelle [38], scrotale [41] ou testiculaire [35] se traduit par une alt6ration de la spermato- gen6se incluant une augmentation du pour- centage de spermatozoYdes morphologique- ment anormaux. Une 616vation de 2~ de la t e m p 6 r a t u r e t e s t i c u l a i r e i n d u i t e 15 heures/jour se traduit en outre par une aug- m e n t a t i o n des a n o m a l i e s de la t6te (t6tes allong6es, amincies et ~ un moindre degr6, irr6guli~res) et de la piece interm6diaire, plus particuli~rement les angulations du fla- gelle [35]. A noter que l'arr6t de l'exposition est suivi d'une r6cup6ration du pourcentage de formes normales, m e t t a n t ainsi en 6vi- dence q u ' u n f a c t e u r exog~ne p e u t ne pas avoir un effet irr6versible sur la morphologie des spermatozoides. Enfin, certaines 6tudes 6pid6miologiques ont rapport6 une augmen- t a t i o n du p o u r c e n t a g e de s p e r m a t o z o l d e s a n o r m a u x en cas d'exposition ~ de fortes temp6ratures en milieu professionnel [6, 16].

U T I L I S A T I O N D E S R E S U L T A T S D E L'ANALYSE M O R P H O L O G I Q U E D E S

S P E R M A T O Z O I D E S

Deux types d'utilisation sont possibles. La morphologie des spermatozoYdes p e u t 6tre consid6r6e comme un indicateur soit de la fertilit6 potentielle, soit de la qualit6 de la spermatogen6se mais i n d 6 p e n d a m m e n t de la f6condit6, c'est-~-dire comme un indica- teur de sant6.

1. F e r t i l i t 6 p o t e n t i e l l e

P o u r o b t e n i r u n e m b r y o n , les s p e r m a t o - zoYdes p a s s e n t s u c c e s s i v e m e n t p a r les 6tapes suivantes: travers6e du mucus cervi- cal; parcours dans ut6rus et trompe; passa- ge des enveloppes d'ovule; r6action acroso- mique et fusion avec ovocyte ; f6condation; d6veloppement d'un embryon.

Dans le cas de f6condation in vivo, les sper- matozo~des ont ~ franchir toutes ces 6tapes, la p r e m i e r e 6 t a n t contournde d a n s le cas d'ins6mination intra-ut6rine, les 3 ou les 2 derni~res 6rant seules impliqudes en cas de f6condation in vitro ou de micromanipula- tion des gametes.

Pour r6aliser les trois premieres 6tapes, les spermatozo~des doivent 6tre mobiles. D'o~ u n e p r e m i e r e q u e s t i o n : q u e l l e s s o n t les relations entre mobilit6 et morphologie des s p e r m a t o z o ' / d e s ? La d e u x i 6 m e q u e s t i o n r e l 6 v e d e s r e l a t i o n s e n t r e m o r p h o l o g i e d'une part, fusion ovocytaire et f6condation d'autre part. La troisi~me question qui trai- te de l'influence de la morphologie s u r le d 6 v e l o p p e m e n t de l ' e m b r y o n est a b o r d 6 e dans un autre article.

a) Relation mobilitd et morphologie des spermatozofdes

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d~lai post co/tal moyen de 18 heures (10 35h), Ahlgren [1] retrouve un pourcentage de spermatozo~des morphologiquement nor- m a u x p l u s i m p o r t a n t d a n s la t r o m p e (moy=92% ; extr= 89-97%) que dans le sper- me (84,5% ; 8 3 - 8 6 ~ ) recueilli 1 s e m a i n e apr~s (voir 3, p o u r une r e v u e complete). U n e filtration des spermatozo~des s'opere au niveau du col de l'ut~rus, barri~re phy- siologique dont le mucus cervical s~lection- ne les g a m e t e s ~ m o r p h o l o g i e n o r m a l e , c o m m e cela a ~t~ d~montr~ par de nom- b r e u s e s ~tudes (voir 27) in vivo (test post co~tal) ou in vitro (test crois~ sperme-glai- re). Le pourcentage de formes normales est augment~ dans le mucus cervical (par rap- port ~ l'~jaculat), mais le p o u r c e n t a g e de spermatozoides avec des anomalies flagel- laires (piece i n t e r m e d i a i r e ou principale) est diminu~. Q u a n t aux gametes a y a n t des anomalies isol~es ou multiples de la t~te, ils ont une capacit~ de m i g r a t i o n i d e n t i q u e a u x n o r m a u x ~ c o n d i t i o n de n ' a v o i r pas d'anomalies associ~es du flagelle [27]. Encore faut-il pour cela que l'analyse mor- phologique des spermatozoldes soit extensi- ve, c'est-~-dire prenne en compte les ano- malies du flagelle; cette remarque pourrait e x p l i q u e r p o u r q u o i c e r t a i n s a u t e u r s ont r ~ c e m m e n t r a p p o r t e q u e la c a p a c i t ~ de p ~ n ~ t r a t i o n des s p e r m a t o z o i d e s d a n s le mucus cervical in vitro et in vivo etait nega- t i v e m e n t corr~l~e avec le p o u r c e n t a g e de t~tes a n o r m a l e s , mais i n d ~ p e n d a n t e s des anomalies du flagelle [111. Et l'exploration morphologique du flagelle reste a d~velop- per 1121].

Une precision supplementaire rut apport~e par le groupe d'Overstreet & Katz [36] qui ont m o n t r ~ chez des h o m m e s %conds et inf~conds, que les s p e r m a t o z o ~ d e s a y a n t u n e m o r p h o l o g i e c ~ p h a l i q u e n o r m a l e ~ t a i e n t p l u s s o u v e n t m o b i l e s et d ' u n e meilleure mobilit~ que les anormaux de la t~te. Les spermatozo~des ayant des anoma- lies de la t~te ont plus de difficult~ ~ traver- ser le mucus cervical probablement en rai-

son des c o n s e q u e n c e s de leurs a n o m a l i e s s u r les c a r a c t ~ r i s t i q u e s de leur mobilitY, avec une distance parcourue par b a t t e m e n t flagellaire qui est plus r~duite, de m~me que la fr~quence de rotation de la t~te [29, 30], ce qui pourrait se dire simplement de la fa~on suivante : un spermatozoide mor- p h o l o g i q u e m e n t a n o r m a l a u n e capacit~ r~duite de p~n~tration dans le mucus cervi- cal, m ~ m e s a n s a n o m a l i e f l a g e l l a i r e . D'autres facteurs peuvent cependant inter- venir; des t r a v a u x r~cents [9] ont montr~ que les diff~rents types d'anomalies de la t~te (classification OMS) ~taient tous asso- ci~s ~ une r~duction significative de la vita- litY, de la long~vit~ et de l'int~grit~ de la m e m b r a n e plasmique par rapport aux sper- matozo~des normaux.

b) R e l a t i o n m o r p h o l o g i e et rdaction

aerosomique

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li~e h la capacit~ de f~condation des sper- matozoides.

e) Relation morphologie et fdcondation in vivo

La p r e m i e r e p u b l i c a t i o n d ' u n e r e l a t i o n entre morphologie des spermatozo~des et f~condit~ in vivo est celle de Boskofte et al [7] qui rapporte chez 785 couples une rela- tion significative entre l'augmentation du pourcentage de spermatozoides anormaux (t~tes seules analys~es) et la diminution de la chance d'avoir un e n f a n t vivant, mais aussi avec le d~lai d'allongement du temps pour obtenir la premiere grossesse. Les dif- f~rents types d'anomalies ~tudi~s semblent par contre sans effet sp~cifique [8]. Une c o n f i r m a t i o n de la r e l a t i o n morphologie anormale et taux de grossesse est rapport~e en 1988 par J o u a n n e t et al [28] dans une ~tude prospective sur 394 couples inf~- conds. Deux notions nouvelles apparais- sent, avec l'importance pronostique de cer- taines anomalies morphologiques, ainsi que de l'Index d'Anomalies Multiples (IAM). Eggert-Kruse et al [12] r a p p o r t e n t aussi une influence du pourcentage de spermato- zo~des anormaux ("crit~res stricts") sur le taux de grossesses spontan~es h 1 an chez 89 couples.

2. I n d i c a t e u r d e s a n t ~

I1 s'agit lh des r~sultats de l'~valuation de quelques uns des f a c t e u r s exog~nes que nous avons pr~c~demment cites. La toxicit~ de certains agents chimiques ou physiques peut, comme nous l'avons vu, se t r a d u i r e par des alterations de la morphologie des spermatozoYdes. De nombreuses ~tudes res- tent cependant h faire [26] et cela d'autant plus que si certains toxiques (ex : chaleur) n'ont un effet qu'associ~ h leur pr6sence (avec un temps de r~manence), ce qui per- met une r~cup~ration apr~s suppression de l'exposition, d ' a u t r e s (ex : agent orange) semblent avoir un effet qui perdure h leur presence. Dans les deux cas, la pathophy- siologie doit diff~rer.

CONCLUSION

La morphologie des spermatozoides est un param~tre de la spermatogen~se qui doit ~tre ~tudi~ dans tout bilan d'inf~condit~ de couple. L'analyse doit donner outre le pour- centage de formes normales, les diff~rents types d'anomalies. Les informations appor- t~es permettent d'~valuer l'~tat de sant~ du testicule et constituent l'un des facteurs pr~dictifs de la fertilit~ in vivo.

B I B L I O G R A P H I E

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ABSTRACT

S p e r m m o r p h o l o g y

R. MIEUSSET

S p e r m a t o z o a m o r p h o l o g y is o n e o f t h e q u a l i t a t i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f s p e r m a - t o g e n e s i s . H o w e v e r , b e c a u s e o f b o t h t h e v a r i a t i o n s in t h e d e f i n i t i o n o f nor- m a l m o r p h o l o g y a n d t h e e x i s t e n c e o f d i f f e r e n t k i n d s o f s p e r m a b n o r m a l i t i e s a s w e l l as t h e u s e o f v a r i o u s t e c h - n i q u e s o f m o r p h o l o g y a s s e s s m e n t , s u c h a p a r a m e t e r is p o o r l y u s e d i n u s u a l l a b o r a t o r y w o r k . M o r p h o l o g i c a l s p e r m a n o m a l i e s c a n be f r o m t e s t i c u - l a r or p o s t - t e s t i c u l a r o r i g i n e s , w h i l e t h e latter is still u n p r o v e d . T h e c a u s e s o f s u c h a n o m a l i e s a r e e i t h e r f r o m g e n e t i c origines, but in t h e s e c a s e s any s p e r m a t o z o a d e m o n s t r a t e t h i s a n o m a - ly, or d u e to an e n d o g e n o u s f a c t o r w i t h v a r i c o c e l e t h e m o s t u s u a l l y q u o t e d b u t u n p r o v e d p a t h o l o g y , B u t e x o g e n o u s factors, e i t h e r c h e m i c a l s u c h as d r u g s a n d p e s t i c i d e s o r p h y s i c a l s u c h a s heat, are also r e s p o n s i b l e for m o r p h o - l o g i c a l s p e r m a n o m a l i e s . A n a l y s i s o f s p e r m m o r p h o l o g y is i n d i c a t i v e o f b o t h t h e t e s t i c u l a r h e a l t h s t a t u s (in c a s e s o f o c c u p a t i o n a l e x p o s u r e to che- m i c a l or p h y s i c a l toxics) a n d t h e ferti- lity p o t e n t i a l s i n c e m o r p h o l o g y is cor- r e l a t e d to s p e r m m o t i l i l y a n d i n v o l v e d in f e r t i l i z a t i o n t h r o u g h t h e a c r o s o m e r e a c t i o n .

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