一种微流控芯片能引导精子“逆流”以帮助不育

在大约1亿精子中，只有几百个进入输卵管。一种称为流变性的定向运动，引导精子细胞逆着宫颈粘液流游动，到达卵子进行受精。正确的游泳方式是关键，尤其是对于那些抗击不孕症的人。利用精子的这种自然流变行为，研究人员开发了一种用于精子分选的微流控芯片，该芯片快速、廉价、易于操作，并能有效地将健康精子直接从精液中分离出来。重要的是，它可以毫不费力地从收集室收集分类的精子细胞，同时最大限度地减少畸形或死亡精子细胞的污染。

　　

佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员利用精子的这种天然的趋异性行为，开发了一种用于精子分选的微流控芯片，这种芯片快速、廉价、易于操作，并能有效地直接从精液中分离出健康的精子。重要的是，它可以毫不费力地从收集室收集已分类的精子细胞，同时最大限度地减少变形或死亡的精子细胞的污染。

辅助生殖技术，如体外受精(IVF)、宫内授精和胞浆内精子注射都需要健康的精子细胞才能成功。目前用于精子分选的离心方法需要多个步骤、多种设备，分离精子细胞大约需要两个小时。这些方法会在精子加工过程中损害精子，并引起显著的DNA碎片化和氧化应激。

发表在《英国皇家化学学会分析师》杂志上的研究结果显示，从这个微流芯片的收集室中分离出来的精子细胞显示出明显更高的运动性(几乎100%)，形态正常的细胞数量更多，DNA碎片大幅降低，这是受精过程的一个关键参数。此外，由于使用该芯片分离的精子细胞的数量和质量，开发的芯片提供了足够的细胞，以实现成功的细胞质内精子注射。

“操作我们的芯片非常简单。一旦精液进入样本入口室，有能力的精子细胞就开始逆着液体流向收集室，在那里它们可以很容易地被收集起来。”Waseem Asghar博士说，他是加州大学电气工程与计算机科学系的资深作者，也是加州大学人类健康与疾病干预研究所(I-Health)和加州大学传感与嵌入式网络系统工程研究所(I-SENSE)的成员。“此外，这种芯片提供了一个步骤，一个小时的操作效益，操作员可以使用最少的培训。”

该研究还证实，变异性选择健康的、能动的和速度更快的精子细胞进行受精过程。

“微流控芯片的组装是低成本的，芯片中用于分离精子细胞的试剂只有几毫升，因此，芯片的商业成本将低于5美元，”Asghar说。“此外，这项技术将大大减轻生育实施的经济负担，芯片和从中分离出来的精子细胞都具有重大的临床意义和适用性。”

微流控芯片由四个通过微通道连接的圆柱形腔体组成。这四个腔室分别是流体进口腔、收集腔、样品进口腔和废物收集腔。在收集室与样品入口之间的通道中，除流体流动外，还含有微沟槽，用于引导精子细胞向收集室方向变性运动。

设备内部的剪应力是由注射泵的流体流动产生的。然后，将一个未加工的精液样本添加到样本入口室，在那里，功能性精子细胞将游向收集室，有效地将自己与死亡和静止的精子分开。

“传统的离心分离法经常会损害精子细胞的完整性。这项研究表明，Asghar教授和他的同事开发的微流控芯片消除了这个问题，”工程和计算机科学学院院长Stella Batalama博士说。“这项新技术提供了一个平台，让精子细胞在芯片的不同部位受到不同的剪应力，这有助于隔离有能力的精子细胞，而不会影响它们的完整性。”

在美国，估计有15%的夫妇难以受孕。全球约有4850万对夫妇患有不育症。根据美国疾病控制和预防中心的数据，12%的育龄妇女曾接受过不孕不育服务。不孕不育的所有治疗费用从5000美元到73000美元不等。平均每个病人要经历两个试管受精周期，包括药物在内，整个过程的总费用在4万美元到6万美元之间。据估计，85%的体外受精费用通常是自掏腰包。

该研究的共同作者是sanhya Sharma和医学博士Alam Kabir，他们是FAU电气工程和计算机科学系Asghar实验室医学微和纳米技术的博士候选人。

的视频:https://youtu.be/SuxAZTVEB5Q

Journal Reference:

1. Sandhya Sharma, Md. Alamgir Kabir, Waseem Asghar. Selection of healthy sperm based on positive rheotaxis using a microfluidic device. The Analyst, 2022; DOI: 10.1039/d1an02311j