项目 01 · 2019–2021 · 已完成

研究精子究竟
如何游动。

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。

现有技术水平

在真正重要之处测量活力。

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。

入口 出口 静水压高度差 精子逆流而上(趋流性)
两个高度不同的储液池,形成一股稳定的静水压驱动流,贯穿整块芯片。MicroFSMA 拍摄记录了精子细胞如何逆着这股水流、向入口方向游动。
项目洞察

为观察精子游动而设计的芯片。

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。

静水压驱动流

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。

自动化追踪

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。

量化运动学

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。

创新之处

这块芯片为何改变了检测结果。

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:

  • 一块能够产生受控静水压驱动流的微流控芯片,而非普通的静态培养皿。
  • 一套计算框架,能在记录的延时影像中同时追踪多个精子的头部与鞭毛。
  • 全新的、基于行为的精液评估参数,旨在降低不良精子筛选给试管婴儿(IVF)带来的失败风险。
i项目信息
周期
2019–2021
计划
H2020, Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship
主题
H2020-MSCA-IF-2018
项目编号
842299
资助机构
欧盟委员会
关键词
趋流性、静水压驱动流、微流控、精液分析
趋流性
成果

一项学者项目,成就了一家公司。

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。

成果传播

由 Cherry Biotech 主办。

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。

由欧盟资助

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。

参考文献

上文引用来源。

  1. World Health Organization. WHO Laboratory Manual for the Examination and Processing of Human Semen, 5th ed. Geneva: WHO (2010).
  2. Suarez, S. S. & Pacey, A. A. Sperm transport in the female reproductive tract. Hum. Reprod. Update 12, 23–37 (2006).
  3. Talarczyk-Desole, J. et al. Manual vs. computer-assisted sperm analysis: can CASA replace manual assessment of human semen in clinical practice? Ginekol. Pol. 88, 56–60 (2017).
  4. Broekhuijse, M. L. W. J. et al. Additional value of computer assisted semen analysis (CASA) compared to conventional motility assessments in pig artificial insemination. Theriogenology 76, 1473–1486 (2011).
  5. Shiva, K. S. et al. Automated analysis of rat sperm motility in microchannels. Biomed. Phys. Eng. Express 4, 035013 (2018).
  6. Bhagwat, S. et al. Chemotactic behavior of spermatozoa captured using a microfluidic chip. Biomicrofluidics 12, 024112 (2018).
  7. Bahat, A. & Eisenbach, M. Sperm thermotaxis. Mol. Cell. Endocrinol. 252, 115–119 (2006).