Миграция сперматозоидов в половых путях: Компьютерное моделирование выявило факторы успеха
Исследовательская группа из Университета имени Гумбольдта в Берлине и Института зоологии и исследований дикой природы им. Лейбница (Leibniz-IZW) разработала агентную компьютерную модель для симуляции пути сперматозоидов через женские половые пути. Ключевые факторы успешного прохождения были выявлены без использования экспериментов на животных и опубликованы в научном журнале PLoS Computational Biology.
При спаривании у видов диких животных самцы передают миллионы сперматозоидов в женские половые пути. На пути к яйцеклетке сперматозоиды должны пройти через половой тракт. Лишь очень немногие из них действительно преуспевают в прохождении и достигают окрестностей яйцеклетки. Те, кому это удается, затем проходят подготовку к оплодотворению. Механизмы, лежащие в основе отбора сперматозоидов и, следовательно, репродуктивного успеха, в значительной степени неизвестны, так как их экспериментальное изучение в живом организме очень сложно по этическим и практическим причинам. Более глубокое понимание факторов, способствующих успешной миграции и отбору сперматозоидов в контексте видовых репродуктивных систем, представляет большой фундаментальный и прикладной интерес, поскольку для угрожаемых видов дикой природы это поможет распознать репродуктивные проблемы и оптимизировать вспомогательные репродуктивные технологии, такие как искусственное осеменение.
Команда ученых разработала пространственно-временную компьютерную модель млекопитающего женского полового тракта, в которой отдельные сперматозоиды рассматривались как независимые агенты, наделенные набором биофизических характеристик, определяющих конкретные свойства, и подчиняющиеся определенным правилам движения и взаимодействия с женским половым трактом. Первая реализация использовала данные о геометрии полового тракта крупного рогатого скота и биофизических свойствах и принципах движения сперматозоидов быка, наблюдаемых в пробирках. Таким образом, сперматозоиды предпочтительно плыли против потока жидкости (положительный реотаксис) и двигались вдоль стеновых структур (тигмотаксис).
Чтобы убедиться, что модель достаточно реалистично отображает важные особенности взаимодействия сперматозоидов с женским половым трактом, результаты моделирования сравнивались с опубликованными данными, полученными от крупного рогатого скота. Результаты моделирования продемонстрировали близкое соответствие наблюдаемым срокам и количеству сперматозоидов, фактически достигающих входа в яйцеводы.
«Как и ожидалось, мы обнаружили, что физические характеристики сперматозоидов, такие как скорость и стабильность направления, необходимы для их успеха. Кроме того, способность плыть против потока слизистых выделений шейки матки, а также способность сперматозоидов ориентироваться вдоль эпителиальных стенок полового тракта оказали огромное влияние на шансы успешного прохождения сперматозоидов к яйцеводу», — объясняет Йорин Димер, аспирант Университета имени Гумбольдта в Берлине.
Карин Мюллер, руководитель андрологической лаборатории Leibniz-IZW, заключает, что «эти выявленные характеристики сперматозоидов следует учитывать в будущих попытках подготовки сперматозоидов в процедурах искусственного отбора, поскольку процессы естественного отбора обычно обходятся в репродуктивных технологиях in vitro». Это особенно важно, потому что существует видовое оптимальное временное окно для накопления сперматозоидов в яйцеводе по отношению ко времени овуляции, когда ооцит высвобождается для оплодотворения.
«Большое преимущество нашей модели — ее гибкость, она может быть расширена и обобщена для других систем», — говорит Эдда Клипп, руководитель отдела теоретической биофизики Университета имени Гумбольдта в Берлине. Прогнозы этой системы компьютерного моделирования имеют потенциал для улучшения вспомогательной репродукции у исчезающих видов, домашнего скота и, возможно, людей без использования экспериментов на животных.