Urology

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

Definition: 
Inability of a couple to conceive after one year of regular unprotected intercourse. 

  It affects about 15% of couples 
  40% are due male cause, 40% due to female cause, and 20% combined 

 
Male reproductive physiology 

•  The physiology of hypothalamic-pituitary-gonadal axis plays the critical 

role. 

•  Hormone classes: 

  Peptides (LH, FSH): act via cell wall receptors. 
  Steroids (testosterone): are lipophilic so act directly on the 

nucleus. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

Feedback Loops 

Feedback is the principal mechanism that regulate the production of various 
hormones, with feedback, a hormone can regulate the synthesis and action of itself 
and of other hormones. 
 A negative feedback is the main regulator of hormones in the HPG axis. 
 

The HPG axis 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

Components of the HPG axis 

Hypothalamus: 

•  Is the pulse generator for the cyclical secretion of the pituitary and gonadal 

hormones. 

•  The most important hormone produced is GnRH (LHRH), which stimulates 

the production of both LH, and FSH from the anterior pituitary. 

•  LHRH produced in a pulsatile manner which governs the concomitant cyclic 

release of gonadotropins. 

Anterior Pituitary: 

•  Is the site of action of LHRH, which stimulates release of LH, and FSH. 
•  They are glycoproteins composed of 2 peptides, α&β. 

   The α subunit is identical.  
   The β subunit is unique and responsible for the biological 

action. 

•  LH stimulates steroidogenesis in Leydig cells. (production of testosterone) 
•  FSH binds to Sertoli cells and spermatogonial membrane and stimulates 

semineferous tubules growth during development. 

•  it is essential for  

  initiation of spermatogenesis at puberty  
  Maintenance normal levels of sperm production in adults. 

•  Another hormone of anterior pituitary is PROLACTIN, which important for 

lactating women, and although its function is not known in males, abnormal 
high level may abolish gonadotropin pulsatile pattern because of the 
common α subunit 

The testis 

Is composed of 

  endocrine part (Lyedig cells) 
  exocrine part (seminiferous tubules)  
  Both under direct control of HPG axis. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  Endocrine testis: 

  Responsible for testosterone production by Lyedig cells. 
  Only 2% of testosterone is free (unbound), and active, while the rest is 

bound to either albumin or SHBG. 

  Testosterone is either metabolized by 5α-reductase into DHT, the 

potent androgen, or by aromatase into estradiol. 

  Exocrine testis: 

  On FSH stimulation, Sertoli cells make a host of secretory 

products important for germ cell growth, including androgen-
binding protein. 

  Through these actions seminiferous tubule growth is stimulated 

during development, and sperm production is initiated during 
puberty as well as a normal level of spermatogenesis is 
maintained in adults. 

Spermatogenesis 

•  Occurs in semineferous tubules 
•  Sertoli cells line semineferous tubules and divide them into luminal and 

adluminal compartments, and function as a”nurse” norishing germ cells as 
they grow. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

•  This arrangement forms the basis of blood testis barrier. 
•  This allows the spermatogenesis to occur in an immunologically privileged 

site. 

•  Germ cells replicate by meiosis, in which the genetic material is halved to 

allow for reproduction. 

•  The essential difference between mitotic and meiotic replication is that a 

single DNA duplication is only one cell division in mitosis but 2 cell 
divisions in meiosis, as a result daughter contains only half of the 
chromosomes contained in the parent cell. 

•  Spermatogonia(2n)   mitosis           primary spermatocyte(2n)    1

st

 meiosis      

secondary spermatocyte(2n)    2

nd

 meiosis    spermatid(1n) 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

 
The process by which spermatids become mature spermatozoa is termed 
spermiogenesis, which may take several weeks, and involves: 

  The acrosome is formed from Golgi complex 
  A flagellum is constructed from the centriole 
  Mitochondria reorganize around the midpiece 
  The nucleus is compacted to 10% of its original size 
  Residual cell cytoplasm is eliminated 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

•  Spermatozoa within the testis have very poor or no motility and are 

incapable of naturally fertilizing an egg. 

•  They become functional only after traversing the epididymis(10-15 days) 

where further maturation occurs 

•  Fertilization which normally occurs in the ampullary part of the fallopian 

tube requires further maturation stages that take part in the female genital 
tract, called “capacitation”. 

•  This includes a change in the type of flagellar movement and release of lytic 

enzymes from the acrosome. 

Diagnosis Of Male Infertility 
It is important to evaluate both partners in parallel. 
If the couple are presented before one year, try to reassure them and advice them 
on healthy productive sex. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  History: 

  Duration of infertility 
  Earlier pregnancies with present of previous partner 
  Sexual history, timing and use of lubricants 
  General medical and surgical history (fever, hernial repair) 
  Childhood diseases as mumps 
  Cryptorchidism 
  Exposure to medications, and chemicals (anabolic steroids, pesticides) 
  Family history of infertility 

  Physical examination: 

  Degree of virilization 
  Gynecomastia  
  Testicular size and consistancy 
  Status of epididymis 
  Vas deferens 
  Varicocele 
  Penis and prostate 

  Lab investigations 
•  GUE: may find infection, hemturia, glycoseuria….etc 
•  Semen analysis: is the primary source of information on sperm production 

and reproductive tract patency. 

–  Sample collection: semen quality vary in the same person from day 

to day, the result depends greatly on collection technique. It should be 
collected after a period of abstinence of 48-72 hours, the sample 
should be examined within one hours, 2 samples should be taken as a 
baseline, one month apart. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

      Physical characteristics of semen 

Liquefaction time 

15-30 min 

Ejaculate vol. 

1.5-5 ml 

Sperm conc. 

>20 millions/ml 

Motility 

>50% 

Forward progression 

2 (scale 1-4) 

morphology 

>30% WHO normal forms 

Sperm agglutination 

<2 (scale 0-3) 

Sperm morphology 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

Other semen parameters: 

  Fructose: if absent, seminal vesicle agenesis or obstruction of 

ejaculatory ducts may be the cause. 

  Post ejaculate urine analysis for semen: to look for retrograde 

ejaculation 

 
Hormonal assessment: 

  To evaluate the HPG axis 
  LH, FSH, testosterone, and prolactine are assessed 
  Estradiol is reserved for underanderogenized males or with gynecomastia 

  Indications: 

  Low sperm count<10million/ml 
  Impairment of sexual function (impotence, low libido) 
  Other endocrinopathy (thyroid dis.) 

 
Adjunctive tests 
Semen leukocyte analysis: pyospermia is defined as >1million leukocytes /ml, 
should be differentiated from round cells of immature sperms by esterase test 
Antisperm antibody test: should be obtained when: 

  Sperm agglutination or clumping 
  Low sperm motility+history of testis surgery/trauma 
  Increased leukocyte count 
  Unexplained infertility 

 
Hypoosmotic swelling: to differentiate immotile but live sperms from dead ones, 
and can be used for assisted fertility techniques. 
sperm chromatin structure, and chromosomal studies: to detect genetic 
abnormalities 
Cystic fibrosis testing: related to absent vas, and ideopathic obstruction 

Radiological tests 

•  Scrotal US, Doppler 
•  Venography 
•  TRUS 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

Testis biopsy 

•  Provides direct information about spermatogenesis. 
•  Usually used for azospermic patients in which it is difficult to distinguish 

between failure of sperm production and obstruction. 

•  Now used for recovery of sperms for ICSI. 

CAUSES OF MALE INFERTILITY 

  Pretesticular 
  Testicular 
  posttesticular 

Pretesticular causes 

•  Hypothalamic disease: 

  Gonadotropin deficiency “kallmann syndrome”:  

  familial, x linked or autosomal,  
  due to disturbance of neuronal migration from the olfactory 

placode which contain neurons responsible for both olfaction 
and LH release.  

  The patient complains of hypogonadism and anosmia. 

Pituitary disease: 

  Pituitary insufficiency: tumors, infarcts, radiation 
  Hyperprolactinemia: either secondary to stress, medications, 

and systemic disease, or due pituitary adenoma. High prolactin 
induces a negative feedback on gonadotropin secretion. 

  Exogenous and endogenous hormones: androgens, estrogens, 

thyroid hormones, or corticosteroid. 

Testicular Causes 

A. Chromosomal causes 

  Klinefelter syndrome (47XXY): 

   the most common genetic cause for azospermia. 
   classic triad of small firm testis, gynecomastia and azospermia.  

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  They have delayed sexual maturation, increased height, obesity 

and diabetes.  

  Increased malignancy risk by 20 folds. 

  Sertoli cell only syndrome:  

  azospermic men with testicular biopsy show absence of 

germinal epithelium.  

  The patients have normal virilization, with small testis with 

normal consistency.  

  There is no gynecomastia 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

B. Gonadotoxins: 

  Radiation 
  Drugs: ca

+2 

channel blockers, allopurinol, cimitidine, 

spironolactone, alpha blockers, TCA 

  Liver cirrhosis: increased s. estrogen causes testicular atrophy, 

gynecomastia, and impotence. 

C. Defective androgen activity 

  5 α reductase deficiency: causes normal internal genitalia, but 

ambiguous external genitalia as hypospadias, and 
cryptorchidism. 

  Androgen receptor deficiency: no receptor for DHT to bind, so 

no action, in turn both the internal and external genitalia are 
affected. 

D. Testis injury: 

  Orchitis e.g mumps 
  Torsion and ischemic injury 
  Trauma cause either fibrosis or immune infertility 

E.  Cryptorchidism: about 1% of 1 year boys,20% of unilateral, and 50% of 

bilateral crypt have abnormal semen count 

F.  Varicocele: usually left sided, it is associated with testicular atrophy which 

is reversible on varicocele correction. 

Post-testicular causes 

A. Reproductive tract obstruction 

  Congenital obstruction 

•  Cystic fibrosis 
•  Young syndrome 
•  Adult polycystic disease 
•  Blockage of ejaculatory duct 

  Acquired blockage 

•  Vasectomy 
•  Groin and hernia surgery 
•  Bacterial infection 

  Functional blockage (nerve injury/drugs) 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

B. Disorders of sperm function or motility 

  Immotile cilia syndrome 
  Maturation defects 
  Immunologic infertility 
  Infection 

C. Disorders of coitus 

  Impotence 
  Hypospadias 
  Timing and frequency 

Treatment Of Male Infertility 

Surgical treatment: 

  Correction of varicocele. 
  Vasovasostomy: should be done by microsurgical technique. 
  Transurethral resection of ejaculatory duct obstruction. 
  Electroejaculation: to treat an-ejaculation in patient with SC injury, done 

through rectal probe to stimulate pelvic sympathetic nerves and induce 
ejaculation, the ejaculate used later of ART.  

Microsurgical treatment of obstructive infertility 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  Sperm aspiration: to treat patients with uncorrectable ductal obstruction, or 

azospermic men to retrieve sperms for ART. 

  Vasal aspiration 
  Epididymal sperm aspiration 
  Testis sperm retrieval 

  Orchidopexy 
  Pituitary ablatoin 

 
Nonsurgical Treatment 

  Specific therapy: 

  Pyospermia: by broad spectrum antibiotics as doxycyclin,or 

methoprim, with frequent ejaculation and antioxidants as vit.E or 
glutathione. 

  Coital therapy: coitus every other day around ovulation is the best. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  Immunologic infertility: it is difficult to treat, options include steroids, 

sperm wash, IUI,IVF, and ICSI. 

  Medical therapy: to treat specific hormonal abn. 

  Hyperprolactinemia: by bromocriptine 
  Hypo-hyperthyroidism 
  Hormonal deficiency: as in Kallmann syndrome, treat with GnRH in 

pulsatile manner, or LH,FSH injections. 

  Anabolic steroids excess: stop them ,if no response within few months 

jump start the testis with FSH,LH. 

  Empiric medical therapy 

  Clomiphene citrate: synthetic antiestrogen that results in increased 

secretion of GnRH, LH,& FSH. 

  Tamoxifin. 
  Antioxidant therapy: 

 
Assisted Reproductive Techniques 
Used when both surgical and medical therapy fail to treat infertility, specially of 
unknown cause. 
 

  Intrauterine insemination: placement of washed pellet of ejaculated 

sperm within the female uterus beyond the cervical barrier. The major 
indication is cervical hostility and mechanical caused as hypospadias. 

Surgery 

Male Infertility 

Dr.Montadhar Al-Almadani 

Lec. 39 

  In vitro fertilization: oval and sperm retrieval, then the eggs are 

fertilized in petri dishes and embryo reimplanted in the uterus. 
500,000 to 5,000,000 sperms are required. 

  Intracytoplasmic sperm injection: one sperm is enough for this 

procedure. 

Draw back of IVF,ICSI  is that they bypass the natural selection barriers so 
offspring are more liable for chromosomal abn, and genetic causes of infertility are 
passed to them. So they use now preimplantation genetic diagnosis.