Женский репродуктивный тракт помогает сперматозоидам плыть
В млекопитающих сперматозоиды сталкиваются с трудной задачей: подобно форели, плывущей против течения, они должны двигаться против потока через извилистый женский репродуктивный тракт в поисках яйцеклетки.
Многие исследования фертильности фокусируются на скорости плавания сперматозоидов, но новое исследование смещает акцент на физическую среду женского тела. Совместная работа была проведена под руководством Мингминга У, доцента биологической и экологической инженерии, и Сьюзан Суарес, профессора биомедицинских наук в Колледже ветеринарной медицины.
Исследование утверждает, что в присутствии слабого потока жидкости биомеханика женского репродуктивного тракта — в частности, бороздки, выстилающие его части — критически направляют миграцию сперматозоидов, не помогая при этом миграции патогенов. Исследование было опубликовано онлайн 13 апреля в Proceedings of the National Academy of Sciences, первым автором является Чих-куан Тунг, постдок в лаборатории У и физик.
Исследование также показало, что передающиеся половым путём патогены, вызывающие трихомониаз у людей и крупного рогатого скота, безопасно смываются при тех же условиях потока. Результаты указывают на коэволюцию подвижности сперматозоидов и женского репродуктивного тракта и могут дать новое понимание для методов лечения бесплодия, сместив фокус на физику взаимодействия сперматозоидов с женским репродуктивным трактом.
Сперматозоиды являются «микропловцами-толкателями». Благодаря асимметричному телу и одному заднему жгутику они продвигаются вперёд, вращаясь как винт. В более ранней статье в Physical Review Letters исследователи обнаружили, что способность сперматозоидов плыть против течения связана с этим толкательным движением жгутика в сочетании с гидродинамическим взаимодействием с поверхностями.
Для исследования в PNAS учёные применили эту идею. Тунг руководил разработкой микрофлюидного устройства, имитирующего биофизическую среду двух соединений в женском репродуктивном тракте: шейки матки и соединения между маткой и яйцеводом (фаллопиевой трубой). Они моделировали тракт коровы, который структурно схож с человеческим в этом отношении. Тунг использовал данные, предоставленные группой Суарес, которая изучает, как сперматозоиды движутся через женский тракт. Устройство длиной около 4 сантиметров было покрыто бороздками шириной 10–20 микрон, которые обнаружены в женском репродуктивном тракте.
Они обнаружили, что когда сперматозоиды плыли против течения, аналогичного нисходящему току в женском репродуктивном тракте, они стремились попасть в микробороздки и плыть по ним против направления потока. Микробороздки защищали их от более сильного потока, что позволяло им использовать эти каналы для продвижения.
В отличие от этого, патогены крупного рогатого скота Tritrichomonas foetus не попадали в микробороздки и, следовательно, смывались потоком жидкости. T. foetus (имеющий аналог Tritrichomonas vaginalis, поражающий людей) является «микропловцом-тянущим», поскольку в основном использует свои передние жгутики, чтобы тянуть себя вперёд.
«Часто методы лечения бесплодия сосредоточены на химических веществах, которые помогут сперматозоидам лучше плавать. Это смена парадигмы в сторону большего внимания к потоку жидкости и физическим силам», — сказал У.
Сьюзан Суарес заинтересовалась вопросом о том, обеспечивают ли микробороздки направляющие пути для сперматозоидов, ещё с 1989 года, после прочтения статьи Джун Маллинс и Ричарда Сааке из Вирджинского политехнического института, в которой они описали наличие микробороздок, заполненных сперматозоидами, в шейках маток коров. Развитие микрофлюидных технологий позволило ей решить этот вопрос.
«Я была в восторге от работы с докторами Тунгом и У над разработкой и использованием этих устройств для окончательной проверки гипотезы», — сказала Суарес. «Обнаружение того, что патогены трихомониаза не попадают в эти бороздки, также было захватывающим, потому что это иллюстрирует, как самцы и самки совместно эволюционировали, чтобы облегчить оплодотворение, одновременно снижая риск заражения передаваемыми половым путём патогенами».
Эта работа связана с другим исследовательским интересом У — микроокружением опухолевых клеток, растущей областью, которая использует не только генетику и хемотаксис метастазирования опухоли, но и физические сигналы, позволяющие опухолевым клеткам расти, изменяться и мигрировать.
Сотрудничество началось около пяти лет назад с начального гранта от Центра нанобиотехнологий Корнелла, финансируемого Национальным научным фондом (NSF), который поощряет сотрудничество между науками о жизни и физическими науками. В дальнейшем работа поддерживалась Национальными институтами здравоохранения (NIH). Статья называется «Микробороздки и потоки жидкости обеспечивают предпочтительные проходы для сперматозоидов по сравнению с патогеном Tritrichomonas foetus».