MicroFSMA(Microfluidic based platform for SeMen Analysis)将精子置于一块模拟女性生殖道环境而设计的芯片之上,使其游动行为得以逐个细胞地被直接观察与测量,而不再依赖推断。
精子活力是临床医生诊断男性不育症的主要检测指标,评分方式要么依据世界卫生组织(WHO)的规程由肉眼判读,要么借助商用计算机辅助精液分析(CASA)系统1。这两种方法都是在一块平面培养皿中观察精子游动,而这样的环境与细胞实际游向卵子所要穿越的生殖道截然不同——在生殖道内,引导它们前行的是趋化性、趋温性与趋流性2。
人工评分速度缓慢3,而 CASA 的结果在对同一样本重复检测时也可能出现波动4。微流控芯片已被分别证实能够解决这些问题的各个方面:微通道追踪精子活力的可靠性可媲美 CASA5;另有研究团队各自运用芯片研究精子对化学梯度6与温度梯度7的响应。但当时尚无人建立一套标准化、易于使用的平台,专门用于研究流动本身所驱动的游动行为。
MicroFSMA 运用一块搭载静水压驱动流的微流控芯片——即生殖道中的趋流性线索——拍摄并追踪精子面对这股水流时的真实游动方式。
储液池之间的高度差驱动芯片内产生受控流动,这正是精子在生殖道中逆流而游所面对的趋流性线索。
一套计算机程序在延时摄影影像中逐个细胞地追踪精子的头部与鞭毛。
逐帧关联细胞位置,将游动行为转化为关于活力与运动学的确切数据。
若独自留在培养皿中,精子细胞会以对称的鞭毛摆动沿直线游动。但若将其置于一条通道中,面对静水压驱动流——也就是精子在整个女性生殖道中不断遇到的趋流性线索——一个具有响应能力的细胞便会转为不对称摆动,并沿螺旋路径逆流而上。要观察到这一转变,必须在真实存在水流的环境中研究细胞,而这正是一块平面培养皿永远无法提供的。MicroFSMA 所构建的,正是这样的环境:
MicroFSMA 的真正成果,远不止于论文与测量平台本身:它在学者项目结束之际,于2021年直接促成了 Beezbiotech SAS 在雷恩(Rennes)的成立。一项 MSCA 个人学者项目最终孵化出一家公司,这是极为罕见的——大多数此类项目止步于一篇论文,而非一家企业。能够走到这一步,是因为 Dr. Shiva Kant Shukla 独自一人扛下了从研究、原型开发到公司创立的全部工作,将一件看似不可能完成的事,变成了现实。
鉴于这一领域所涉及的伦理重要性,MicroFSMA 的研究成果除了通过常规学术渠道发布外,还通过若干杂志专题报道以及一场科学节上的专场研讨会,与更广泛的公众社群分享。
本项目已获得欧盟「地平线2020」(Horizon 2020)研究与创新计划资助,资助协议编号 No. 842299。