Сперматозоиды могут адаптировать стиль плавания к изменяющимся условиям жидкости

Сперматозоиды могут модулировать свою энергетику, регулируя форму колебаний жгутика (флагеллярную волну), чтобы адаптироваться к различным жидкостным средам, потенциально оптимизируя свою подвижность и навигацию в репродуктивном тракте. Исследование опубликовано 1 ноября в журнале Cell Reports Physical Science.

«Наш подход позволил исследовать, как изменения вязкости и скорости сдвига влияют на поведение сперматозоидов на уровне отдельной клетки, что было невозможно с помощью традиционных методов», — говорит старший автор исследования Реза Носрати из Университета Монаша.

Биохимические и биофизические сигналы в репродуктивном тракте служат фильтром против низкокачественных сперматозоидов и механизмом наведения для высококачественных сперматозоидов, направляющихся к яйцеклетке. Например, во время полового акта усиленные выделения слизи в яйцеводе стимулируют движение жидкости в фаллопиевой трубе по направлению к матке. Этот поток помогает предотвратить проникновение патогенов, вымывая их, и одновременно отбирает сперматозоиды, способные плыть против течения к яйцеклетке, благодаря явлению, известному как реотаксис.

Однако отчасти из-за ограничений традиционных методов микроскопии и исследований на уровне популяции оставалось неясным, как такие факторы, как течение жидкости и вязкость, взаимодействуют, влияя на поведение биения жгутика сперматозоида на уровне отдельной клетки. Более того, текущие клинические практики в основном используют среды с низкой вязкостью и условия застойного потока, хотя практические преимущества учета физиологически релевантных сред могут быть значительными.

В этом исследовании Носрати и его команда разработали «испытательную арену» для сперматозоидов, чтобы наблюдать за их поведением в физиологически релевантных условиях. Это устройство использовало микрофлюидику для изучения формы волны жгутика и энергетики сперматозоидов в ответ на изменения потока и вязкости.

Прикрепив сперматозоиды быка в микрофлюидном канале, исследователи подвергли одни и те же отдельные сперматозоиды воздействию ряда значений вязкости и скоростей сдвига (скоростей изменения скорости, с которой один слой жидкости проходит над соседним). Используя высокоскоростную микроскопию высокого разрешения, они количественно оценили динамику жгутика со скоростью 200 кадров в секунду.

Результаты показали, что на форму волны жгутика сперматозоида в первую очередь влияет вязкость, а не скорость сдвига, а их синергетический эффект способствует энергоэффективному поведению биения. Подвижность и энергетика сперматозоидов меньше зависели от потока жидкости в средах с более низкой вязкостью. Но в средах с высокой вязкостью увеличение скорости сдвига с 0 до 6 в секунду при 75 миллипаскаль-секундах уменьшило кривизну жгутика на 20%, а частота биения жгутика была максимальной при скорости сдвига 3 в секунду, что благоприятно для реотаксиса сперматозоидов.

По мнению авторов, это явление предполагает потенциальное увеличение выработки энергии и изменения в поведении биения жгутика в этих специфических условиях, что, возможно, позволяет осуществлять реотаксис и облегчает переход от кругового движения к катящемуся движению. Наблюдаемое увеличение энергетической отдачи при скорости сдвига 3 в секунду указывает на то, что сперматозоид регулирует выработку мощности, чтобы адаптироваться и реагировать на динамику жидкости, тем самым обеспечивая эффективное плавание против течения.

В настоящее время исследователи совершенствуют свои методы визуализации и экспериментальную платформу для последующего исследования свободно плавающих сперматозоидов в аналогичных условиях.

«Также крайне важно лучше понять важность учета этих свойств среды для отбора сперматозоидов и оплодотворения», — говорит Носрати. «Мы планируем провести исследование на животных, чтобы оценить, как такие свойства могут влиять на оплодотворение и развитие эмбриона при вспомогательной репродукции, чтобы информировать будущие стратегии лечения для лучших результатов».