Мітохондрії часто називають «енергетичними центрами» клітини, відіграючи вирішальну роль у заплідненні та розвитоку ембріона, через високі енергетичні потреби під час цих процесів. Вони мають забезпечувати достатню кількість АТФ для підтримки як плавного дозрівання ооцитів. Окрім своєї ролі в клітинному метаболізмі, мітохондрії також тісно пов'язані з підтримкою гомеостазу. Крім того, через свою критичну роль у гомеостазі кальцію, мітохондрії також беруть участь у коливаннях кальцію, які є важливими для активації під час запліднення. Підтримка належної функції мітохондрій та внутрішньоклітинної концентрації Ca2+ впливає на потенціал розвитку ооцитів. Будь-яке порушення рівня кальцію, спричинене захворюваннями або стресом, може вплинути на окисно-відновний баланс у клітині.
Мітохондрії також відіграють центральну роль регуляцію клітинної смерті та сигнальних шляхів, метаболізм заліза та біосинтез деяких органічних сполук, а також беруть участь у формуванні мейотичного веретена.
Щоб задовольнити потреби ооцитів в АТФ під час дозрівання, ооцити ссавців розвинули специфічну мітохондріальну стратегію: зрілі ооцити містять до ~100 000 мітохондрій, що в тисячі разів більше, ніж кількість, виявлена в сперматозоїдах (50–75) та соматичних клітинах (~2000). Цей резерв задовольняє потреби ооцитів в АТФ для дозрівання та забезпечує енергетичну безпеку для раннього ембріонального розвитку після запліднення.
За винятком ядра, мітохондрії є єдиними органелами тваринних клітин, що містять власну генетичну інформацію, яка називається мітохондріальною ДНК (мтДНК). Під час дозрівання ооцитів кількість копій мтДНК різко зростає, а розподіл мітохондрій значно змінюється. мтДНК відіграє важливу роль у регуляції та підтримці функції мітохондрій, а також взаємодія з ядерною ДНК. Адекватний рівень мтДНК є необхідними для нормального енергетичного метаболізму в ооцитах, сприяючи росту та дозріванню ооцитів. Крім того, мітохондріальна ДНК (мтДНК) більше схильна до кумулятивного окислювального пошкодження порівняно з ядерною ДНК через її близькість до місць мітохондріального окислювального метаболізму та відсутність білків, пов'язаних з ДНК, які можуть захистити її від окислювального пошкодження. Швидкість мутагенезу мітохондріального геному в 20 разів вища, ніж швидкість мутацій ядерної ДНК, з деякими унікальними особливостями в її розподілі по геному. Було проведено дослідження точкових мутацій та делецій мтДНК в ооцитах жінок старшого репродуктивного віку та показано, що кількість de novo мутацій мтДНК у дітей збільшується з віком матері.
Під час оогенезу ооцити збільшують свій об'єм майже в 300 разів, що тісно пов'язано з накопиченням мітохондрій. Під час фази росту ооцитів мітохондрії підтримують відносно низьку активність, що призводить до зниження продукування активних форм кисню та меншого пошкодження ДНК, сприяючи стабільності генетичного матеріалу в ооцитах. Мітохондріальна дисфункція на цій стадії призводить до недостатнього енергопостачання, знижує якість ооцитів та призводить до неправильної сегрегації хромосом, що зрештою спричиняє анеуплоїдії ембріонів. Для овуляції ооцитам потрібен АТФ, а необхідні метаболічні субстрати постачаються клітинами кумулюса та фолікулярною рідиною. Будь-яка зміна структури або кількості мітохондрій безпосередньо впливає на якість ооцитів, компетентність розвитку та подальшу імплантацію ембріонів. Зрілі ооцити не виробляють мітохондрій, і генерація цих органел відновлюється під час розвитку ембріона до стадії бластоцисти. Якість ембріонів значною мірою визначається якістю мітохондрій ооцитів, оскільки мітохондрії, що переносяться сперматозоїдами після запліднення, деградують в ооплазмі.
Клітинне старіння – це складний процес, що зумовлений різними факторами, такими як оксидативний стрес, вкорочення теломер та пошкодження ДНК, що сприяють мутаціям. Яйцеклітини старших пацієнтів демонструють хромосомні аберації, пошкодження веретена поділу та пошкодження органел, а також морфологічні зміни самої клітини. Вплив старіння на ооцити проявляється в першу чергу порушенням дозрівання як ядра, так і цитоплазми. Коли ядерне або цитоплазматичне дозрівання порушене, ооцити демонструють підвищену частоту анеуплоїдії. Ця нездатність до дозрівання ще більше збільшує ризик ембріональних аномалій розвитку та викиднів. Помилки в кількості хромосом у старих ооцитах можуть бути зумовлені однією з двох причин: мейотичними помилками, спричиненими передчасною сегрегацією сестринських хроматид під час мейозу I, які повинні були розділитися в мейозі II, та мейотичними помилками, спричиненими зворотною сегрегацією під час мейозу.
Динамічні зміни кількості копій мтДНК є основним біомаркером репродуктивного старіння. Теломери розташовані на кінцях хромосом, і їхня основна функція полягає в підтримці цілісності хромосом. Коли кінці хромосом не реплікуються під час поділу клітин, це призводить до поступового вкорочення теломер. Скорочення довжини теломер призводить до зменшення кількості копій мтДНК. Дисфункція теломер та знижена активність теломерази в ооцитах є основними ознаками для яйцеклітин жінок старшого репродуктивного віку. У жіночих статевих клітинах теломераза забезпечує правильну реплікацію послідовностей ДНК, таким чином, довжина теломер та активність теломерази можуть служити потенційними біомаркерами для прогнозування якості ооцитів. Аномальне скорочення теломер та знижена кількість копій мтДНК можуть бути пов'язані з аномальним розвитком та загибеллю ембріона.
У старших пацієнтів часто спостерігається зменшення кількості мітохондрій та деградація їхніх крист. Старіння пов'язане зі зниженням ефективності мітохондрій призводить до зниження рівня АТФ, що зрештою знижує якість ооцитів. Коли порушується баланс окислювально-відновних реакцій, активні форми кисню мають шкідливий вплив на мітохондрії, що призводить до оксидативного пошкодження, включаючи пошкодження мтДНК. Дисфункціональні мітохондрії мають нижчу здатність протидіяти виробленню активних форм кисню. Мітохондріальна дисфункція призводить до дефіциту енергії, необхідної для клітинних процесів.
Дисфункція мітохондрій призводить до таких проблем, як порушення ядерного та цитоплазматичного дозрівання ооцита, аномального формування веретена поділу та зміщення хромосом, що знижує потенціал запліднення та здатність до ембріонального розвитку. Мітохондріальна дисфункція може спричиняти мутації пов'язані з пошкодження мтДНК, епігенетичні зміни, мейотичні помилки, хромосомні зміщення та вкорочення теломер, також може призвести до зниження кількості та якості яйцеклітин.
Однак різні фактори можуть спричинити мітохондріальну дисфункцію, включаючи генетичні мутації та старіння. Хоча спадкові мітохондріальні мутації трапляються рідко (1 на 5000 осіб), вони можуть призвести до серйозних неврологічних розладів. Для обмеження успадкування мітохондріальних захворювань та покращення якості ооцитів може бути запропонована замісна мітохондріальна терапія, яка включає мітохондріальний перенос, спрямований на збільшення кількості мітохондрій в ооцитах, метод обміну ооплазмою та перенос мейотичного веретена або пронуклеусів. У випадку переносу веретена, комплекс веретено-хромосома переноситься з материнської яйцеклітини до донорської з належним чином функціонуючими мітохондріями. Перенос пронуклеусів передбачає одночасне запліднення донорських та реципієнтних ооцитів, а потім, перенос пронуклеусів до енуклеованого (без пронуклусів) донорського ооцита. Хоча мтДНК матері поєднується з мітохондріальним геномом донора, вона становить лише близько 0,1% ДНК.
Іншою стратегією в замісній мітохондріальній терапіє є: аутологічний перенос енергії мітохондрій зародкової лінії (AUGMENT). Ця технологія передбачає використання аутологічних мітохондрій, отриманих із соматичних клітин жінки (гранульозних клітин), для стимулювання мітохондріального потенціалу яйцеклітини, а в перспективі посилення запліднення та розвитку ембріона. Дослідження показують, що відсоток запліднення та живонародження істотно не відрізняється між пацієнтами з невдалим спробами ЕКЗ, які використовували методику AUGMENT, та тими, хто його не отримав. Наразі методика AUGMENT все ще перебуває на експериментальній фазі та не була схвалена для використання в багатьох випадках. Крім того, бракує достатніх доказів для підтвердження позитивного впливу на результати вагітності або безпеку, тому клінічне використання цієї методики було призупинено.
Ресвератрол відіграє центральну роль в управлінні безліччю процесів, що охоплюють регуляцію енергії, експресію генів, цілісність геному та виживання клітин. Дослідження показали його здатність стимулювати мітохондріальну активність, що призводить до збільшення вироблення АТФ та покращення життєздатності клітин у клітинах гранульози людини. Ресвератрол діє як потужний активатор SIRT1. Було доведено, що SIRT1 експресується в яєчниках тварин, ембріонах ссавців та ооцитах. Крім того, він контролює дозрівання ооцитів, а також бере участь у регуляції апоптозу гранульозних клітин під час атрезії фолікулів. Дослідження підкреслюють важливість впливу на мітохондріальні процеси за допомогою таких втручань, як антиоксидантні добавки, тому таки консервативний підхід може виявитись ефективним в ряді випадків.