Der weibliche Genitaltrakt kann eine feindliche Umgebung für die Empfängnis sein. Von etwa 100 Millionen Spermien gelangen nur wenige Hundert in die Eileiter. Geleitet von einer gerichteten Bewegung namens Rheotaxis schwimmen die Samenzellen gegen den Zervixschleimfluss, um das Ei zur Befruchtung zu erreichen. Diese Reise ist jedoch noch kritischer, wenn man Unfruchtbarkeit in Betracht zieht. Die Beweglichkeit der Spermien – die Fähigkeit, richtig zu schwimmen – ist der Schlüssel.
Unter Ausnutzung dieses natürlichen Rheotaxis-Verhaltens von Spermien haben Forscher des College of Engineering and Computer Science der Florida Atlantic University einen mikrofluidischen Chip für die Spermiensortierung entwickelt, der schnell, kostengünstig und einfach zu bedienen ist und gesunde Spermien effizient direkt aus Samen isoliert. Wichtig ist, dass es mühelos sortierte Spermien aus der Sammelkammer sammelt und gleichzeitig die Kontamination durch deformierte oder tote Spermien minimiert.
Assistierte Reproduktionstechnologien wie In-vitro-Fertilisation (IVF), intrauterine Insemination und intrazytoplasmatische Spermieninjektion erfordern alle gesunde Spermien für ein erfolgreiches Ergebnis. Gegenwärtige Zentrifugationsmethoden zum Sortieren von Spermien erfordern mehrere Schritte, mehrere Arten von Geräten und dauern etwa zwei Stunden, um Spermien zu isolieren. Diese Methoden schädigen Spermien während der Verarbeitung und führen zu erheblicher DNA-Fragmentierung und oxidativem Stress.
Ergebnisse der Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Der Analytiker der Royal Society of Chemistry, zeigten, dass Spermien, die aus der Sammelkammer in diesem mikrofluidischen Chip isoliert wurden, eine signifikant höhere Beweglichkeit (nahezu 100 Prozent), eine höhere Anzahl morphologisch normaler Zellen und eine wesentlich geringere DNA-Fragmentierung aufwiesen, was ein entscheidender Parameter für die ist Befruchtungsprozess. Darüber hinaus liefert der entwickelte Chip aufgrund der Menge und Qualität der mit dem Chip isolierten Spermien mehr als genug Zellen, die für eine erfolgreiche intrazytoplasmatische Spermieninjektion erforderlich sind.
„Die Bedienung unseres Chips ist sehr einfach. Sobald der Samen in die Probeneinlasskammer geladen wird, beginnen die kompetenten Samenzellen, sich gegen den Flüssigkeitsstrom in Richtung der Sammelkammer zu bewegen, von wo aus sie leicht gesammelt werden können“, sagte Waseem Asghar, Ph.D. , Seniorautor, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der FAU und Mitglied des FAU Institute for Human Health and Disease Intervention (I-Health) und des FAU Institute for Sensing and Embedded Network Systems Engineering (I-SENSE) . „Darüber hinaus bietet dieser Chip einen Betriebsvorteil von einem Schritt und einer Stunde, den ein Bediener mit minimaler Schulung verwenden kann.“
Aus der Sammelkammer isolierte Spermien in diesem mikrofluidischen Chip zeigten eine deutlich höhere Beweglichkeit (nahezu 100 Prozent), eine höhere Anzahl morphologisch normaler Zellen und eine wesentlich geringere DNA-Fragmentierung, die ein entscheidender Parameter für den Befruchtungsprozess ist. Der entwickelte Chip liefert aufgrund der Menge und Qualität der mit dem Chip isolierten Spermien auch mehr als genug Zellen, die für erfolgreiche Techniken der assistierten Reproduktion benötigt werden. Bildnachweis: Florida Atlantic University
Die Studie bestätigt auch, dass die Rheotaxis die gesunden, beweglichen und schnelleren Spermien für den Befruchtungsprozess auswählt.
„Die Montage des mikrofluidischen Chips ist kostengünstig, und die im Chip verwendeten Reagenzien zur Trennung von Spermien betragen nur wenige Milliliter, daher würden die kommerziellen Kosten des Chips weniger als 5 US-Dollar betragen“, sagte Asghar. „Darüber hinaus wird diese Technologie die wirtschaftliche Belastung von Fertilitätsimplementierungen erheblich reduzieren, und sowohl der Chip als auch die daraus isolierten Samenzellen bieten eine große klinische Bedeutung und Anwendbarkeit.“
Der mikrofluidische Chip besteht aus vier zylindrischen Kammern, die durch Mikrokanäle verbunden sind. Die vier Kammern sind die Flüssigkeitseinlasskammer, Sammelkammer, Probeneinlasskammer und Abfallsammelkammer. Der Kanal zwischen Sammelkammer und Probeneinlass enthält Mikrorillen, um die Spermien zusätzlich zum Flüssigkeitsstrom für die Rheotaxisbewegung der Spermien in Richtung der Sammelkammer zu leiten.
Die Scherspannung im Inneren des Geräts wird durch den Flüssigkeitsfluss mit einer Spritzenpumpe erzeugt. Eine Rohsamenprobe wird dann in die Probeneinlasskammer gegeben, von wo aus funktionsfähige Samenzellen in Richtung der Sammelkammer schwimmen und sich effektiv von toten und unbeweglichen Spermien trennen.
„Herkömmliche Zentrifugation gefährdet oft die Integrität von Samenzellen. Diese Forschungsstudie zeigt, dass der von Professor Asghar und seinen Kollegen entwickelte mikrofluidische Chip dieses Problem beseitigt“, sagte Stella Batalama, Ph.D., Dekanin, College of Engineering and Computer Science. „Diese neuartige Technologie bietet eine Plattform, auf der die Spermien in verschiedenen Teilen des Chips unterschiedlichen Scherspannungen ausgesetzt sind, was die Isolierung kompetenter Spermien erleichtert, ohne ihre Integrität zu beeinträchtigen.“
In den Vereinigten Staaten haben schätzungsweise 15 Prozent der Paare Schwierigkeiten, schwanger zu werden. Weltweit leiden etwa 48,5 Millionen Paare an Unfruchtbarkeit. Laut den US Centers for Disease Control and Prevention haben 12 Prozent der Frauen im gebärfähigen Alter einen Unfruchtbarkeitsdienst in Anspruch genommen. Alle Behandlungskosten für Unfruchtbarkeit können zwischen 5.000 und 73.000 US-Dollar liegen. Der durchschnittliche Patient durchläuft zwei IVF-Zyklen, wodurch die Gesamtkosten dieses Verfahrens, einschließlich Medikamente, zwischen 40.000 und 60.000 US-Dollar liegen. Geschätzte 85 Prozent der IVF-Kosten werden oft aus eigener Tasche bezahlt.
Sandhya Sharma et al, Auswahl gesunder Spermien basierend auf positiver Rheotaxis unter Verwendung eines mikrofluidischen Geräts, Der Analytiker (2022). DOI: 10.1039/d1an02311j