RT Audacity - шаблон joomla Оригами
Image is not available
Slider
Image is not available
Slider
111   312 23

مطالب علمی-پژوهشی

علمی-پژوهشی

  • 1
  • 2
  • 3

سیستم های میکروسیال جایگزین روش های سنتی جداسازی اسپرم ها

 

در کل دنیا از هر شش زوج درسن باروری یک زوج و حداقل یک بارتحت تاثیر نوعی از ناباروری قرار می گیرد. در دهه های گذشته روش های کمک باروری((ART مثل تلقیح داخل رحمی اسپرم(IUI)، لقاح آزمایشگاهی(IVF)، و تزریق داخل سیتوپلاسمی اسپرم(ICSI) به طور گسترده ای برای موفقیت در بارداری مورد استفاده قرار گرفته است. شناسایی و جداسازی اسپرم هایی با بیشترین تحرک و DNA سالم یک فاکتور ضروری برای IVF یا ICSI موفق و داشتن فرزندانی سالم برای زوج ها است. با توجه به طبیعت بسیار ظریف و شکننده اسپرم، جداسازی اسپرم هایی با کیفیت خوب با روش های قدیمی مثل رنگ آمیزی یا جداسازی با سانتریفیوژ در سرم فیزیولوژی یا شیب غلظت آلبومین دارای چالش های زیادی از جمله احتمال وارد کردن آسیب به DNA اسپرم و زمان بر بودن را دارد. در سال های اخیر، روش های میکروسیال برای جداسازی اسپرم های پویا، متحرک و با بهترین مورفولوژی و ساختار DNA روز به روز توسعه پیدا کرده ودر آینده ای نه چندان دور جایگزین روش های سنتی خواهند شد.


مقدمه
ناباروری در حدود 50 تا 80 میلیون زوج در دنیا را تحت تاثیر قرارداده است. نیمی از ناباروری ها به علت مشکلات مردانه می باشد که عمده دلیل آن تعداد و تحرک کم اسپرم است. از دلایل دیگر ناباروری مردانه کمبودهای تغذیه ای، استرس، التهاب مزمن، و قرار گرفتن در معرض سموم موجود در محیط زیست است که می تواند مقدار و کیفیت اسپرم را کاهش دهد. به طور طبیعی تعداد و تحرک کم اسپرم و ناهنجاری اسپرمی باعث اختلال در توانایی اسپرم در بارورسازی تخمک می شود. جداسازی اسپرم های با تحرک بسیار بالا یک فاکتور حیاتی در موفقیت روش IVF و ICSI است بنابراین لقاح تخمک و در نهایت یک تولد زنده تا حد زیادی به کیفیت اسپرم بستگی دارد. ازاین رو، فن آوری هایی با کارآیی بالا به منظور تسهیل شناسایی و انتخاب اسپرم سالم می تواند تا حد زیادی بهبود میزان موفقیت ICSI، IVF، و دیگر روش های کمک باروری را افزایش دهد. در چند دهه اخیر علم میکروسیال تحول چشمگیری را در زمینه تحقیقات علوم پزشکی و زیستی ایجاد کرده و شبیه سازی الگوهایی زیستی بدن را در محیط آزمایشگاهی فراهم کرده است.


روش های قدیمی جداسازی اسپرم ها
جداسازی و گزینش اسپرم برای IVF یا ICSI بیشتر بر پایه میزان تحرک اسپرم است چون اسپرم هایی با تحرک بالا و مورفولوژی خوب شانس موفقیت بالاتری در باروری تخمک دارند. در روش های جداسازی قدیمی اکثرا گزینش اسپرم هایی با تحرک خوب توسط تکنیک هایی مثل swim up واستفاده از شیب غلظتی آلبومین در سانتریفیوژ انجام می گرفت. در روش swim up اسپرم متحرک و باکیفیت خوب از اسپرم های رسوب کرده جداشده و به لایه جدید حرکت می کند ولی با این وجود برای جداسازی اسپرم هایی با تحرک خوب بازده کمی دارد. سانتریفیوژ شیب غلظتی می تواند اسپرم ها را برا اساس تراکم جدا می کند اما عمل سانتریفیوژ بر روی حیات و DNA اسپرم تاثیر منفی دارد. همچنین این دو روش قدیمی درنمونه هایی با اختلالات الیگواسپرمی، کم تحرکی اسپرم و اسپرم های فریز شده کارآیی بسیار پایینی دارند.

توسعه سیستم میکروسیال
تاریخچه گسترش سیستم میکروسیال به دهه 1990 میلادی بر می گردد. جایی که آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) برنامه های عظیمی برای گسترش ابزاری تشخیصی در محیط نظامی برای اندازه گیری مواد مختلف شیمیایی و زیستی با قابلیت حمل و دارای دقت بالا را توسعه داد. سیستم میکروسیال بر روی بسترهایی از جنس کاغذ، سیلیکون، شیشه و امروزه روی مواد پلیمری مثل PDMS انجام می شود. در اکثر این سیستم ها کانال، پمپ، دریچه و مخلوط کننده وجود دارد که سیال مورد نظر مانند مایعات بدن از درون این کانال ها جریان پیدا کرده و آنالیز مورد نظر را انجام می دهد. فن آوری آزمایشگاه روی تراشه که از روش میکروسیال استفاده می کند پیشرفت های شگفت آوری را در سرعت و دقت آزمایشات فراهم آورده است. وجود مزیت های زیادی مثل نیاز به تجهیزات، فضا و حجم نمونه کم، سرعت و دقت بالا در پردازش و جداسازی مواد، قابلیت کنترل فرآیند آزمایش ، کاهش خطاهای کاربر و شاید مهمترین فاکتور هزینه پایین استفاده از تکنولوژی میکروسیال در آزمایشگاه و یا مراکز ناباروری است. در چند سال اخیر مطالعات گسترده ای درعرصه جداسازی اسپرم ها با میکروسیالات انجام شده و کارآیی بالای خود را در بهبود IVF نشان داده است. از جمله تکنیک هایی که از سیستم میکروسیالات برای جداسازی اسپرم ها استفاده شده میتوان به جداسازی اسپرمها در شیب غلظت مواد شیمیایی ، جداسازی در شیب حرارتی، جداسازی دربرابر جریان سیالات، جداسازی با میکروسیالات بصورت پاسیو و روش های ترکیبی اشاره کرد).

جداسازی اسپرم ها در شیب غلظت مواد شیمیایی
درون بدن انسان حرکت اسپرم و مسیریابی آن به سوی تخمک با جذب شیب غلظت مواد شیمیایی رها شده توسط تخمک صورت می گیرد. با الهام گرفتن از این پدیده طبیعی رحم و در سال 1993 سیستم میکروسیالی که درون کانال های آن شیب غلظتی از هیالورونیک اسید و مخاطات لوله رحمی و سرویکس بود طراحی شد. امروزه چندین تکنیک با استفاده از مواد شیمیایی مختلف مثل استیل کولین یا سلول های کومولوس موش طراحی و استفاده شده که کارایی جداسازی و باروری در نتایج آزمایشات بسیار بالا گزارش شده است.

جداسازی اسپرم ها در برابر جریان سیالات
اصول جداسازی دراین سیستم بر اساس تحرک و توانایی اسپرم در عبوراز درون یک جریان سیال آرام است. در این سیستم جریان با فشار ثابت هیدرولیکی آغاز شده وتوسط نیروهای کاپیلاری و گرانشی و بدون نیاز به منبع قدرت خارجی به جلو رانده می شود. در دستگاهی که از این نوع سیستم میکروسیال استفاده می کند جداسازی اسپرم های متحرک از دبریدها و اسپرم های غیرمتحرک بر اساس توانایی swim out کردن اسپرم از جریان درون کانال است. راه دیگر جداسازی به توانایی رو به جلو حرکت کردن اسپرم ها و مقابله با جریان مخالف درون کانال ها می باشد. طبیعتا اسپرم هایی با قدرت تحرک بالا مقاومت بیشتری نسبت به جریان مخالف خود دارند بنابراین اسپرم هایی با کیفیت بالاتری را می توان جدا کرد.

جداسازی اسپرم ها در شیب حرارتی
تحرک در اثر دما به عنوان یکی از فاکتورهای مهم در ارزیابی کیفیت اسپرم مطرح است. در این سیستم میکروسیال شیب حرارتی در دو طرف(شاخه) کانال تعبیه شده و با یک دستگاهی که پیرامون کانال قرار دارد این شیب حرارتی به دقت کنترل می شود. اسپرم های پاسخ دهنده به دما به سمت شاخه با دما بالاتر حرکت می کنند ولی اسپرم های بی پاسخ به دما به هردوطرف حرکت می کنند. دریچه رابط هوا نیز برای مجزا کردن دو شاخه و کنترل کردن اسپرم های به دام افتاده کار گذاشته شده است. نتایج مطالعات کار با این دستگاه نشان داد که اسپرم های پاسخ دهنده به شیب دما(از 34 تا37 درجه) تقریبا 6-11 درصد از کل اسپرم ها را شامل می شوند.

جداسازی اسپرم ها با میکروسیالات بصورت پاسیو
اصول این سیستم جداسازی اسپرم هایی با بیشترین تحرک در فواصل زمانی تعیین شده است. به این صورت که اسپرم های بسیار متحرک در یک زمان محدود و مشخص از خروجی کانال میکروسیال خارج شده و جمع می شوند در حالی که اسپرم های کم تحرک در نزدیکی ورودی نمونه درون کانال باقی می مانند. برای پیگیری هم زمان و یکپارچه اسپرم ها و افزایش میدان دید یک چیپ میکروسیالی و دستگاه CCD کار گذاشته شده است. این پلات فرم یکپارچه قادر به ردیابی اسپرم و حرکت آن بر روی کانال با ردیابی مسیر سایه اسپرم را مهیا می سازد. با این روش محاسباتی تحرک اسپرم موش و انسان آزمایش شده است زمان خستگی برای اسپرم موش ها تقریبا نیم ساعت است که بعد از این مدت از تحرک اسپرم ها بسیار کاسته می شود. این نتیجه گیری با نتایج تجربی مشاهده شده بسیار همسو گزارش شده است.

شکل 1 - (A) جداسازی اسپرم ­ها در شیب غلظت مواد شیمیایی (B, C) جداسازی اسپرم ­ها در شیب حرارتی   (D, F) جداسازی اسپرم­ ها در برابر جریان سیالات (E) جداسازی اسپرم­ ها با میکروسیالات بصورت پاسیو

دستگاه های تجاری شده برای آنالیز مایع منی
با پیشرفت های روزافزون میکروسیالات و استفاده ازاین صنعت در آزمایشگاه های تحقیقاتی بالطبع پای دستگاه ها و تجاری سازی این سیستم برای عرضه در بازار مطرح است. اخیرا دستگاهی به نام بررسی باروری اسپرم که یک تست خانگی است تاییدیه سازمان غذا و دارو آمریکا را گرفته است. قیمت دستگاه درحدود 40 دلار فروخته می شود و با صحت نزدیک 98 درصد اسپرم هایی با قدرت بارورکننده را تشخیص می دهد. دستگاه براساس قدرت تشخیص پروتئین سطحی و اختصاصی که فقط در سر اسپرم هایی با قدرت بارورکننده وجود دارد کار می کند. تست باروری مردانه Fertell فعلا تجاری سازی نشده ولی دستگاهی برای اندازه گیری غلظت اسپرم متحرک است که این اسپرم ها می توانند از طریق یک محلول شیمیایی گرم(همانند ترشحات گردن رحم) حرکت کنند. دستگاه Micra که نوعی میکروسکوپ LED است به عنوان ابزار خانگی آنالیز مایع منی به قیمت حدود 70 دلار در بازار موجود می باشد. این دستگاه قادر به آنالیز زمان آب شدگی، تعیین حجم نمونه، تعداد و قدرت تحرک اسپرم است.

نتیجه گیری
دستگاه های میکروسیال با دو هدف آنالیزطیف گسترده ای از عملکردهای مختلف اسپرم ها و جداسازی اسپرم هایی با تحرک بالا از میان مخلوطی از مایع سمینال، سلول های غیر بارورکننده، اسپرم بالغ و نابالغ، دبریدهای غیر اختصاصی، و میکروارگانیسم های مختلف برای بهبود نتیجه IVF مورد استفاده قرار گرفته است. روش های قدیمی جداسازی میزان آسیب DNA بالاتر و نیاز به زمان و کار بیشتری دارند. تلاش های زیادی برای استفاده از روش های جایگزین شده است مثلا استفاده از سیستم میکروسیالاتی که در ابعاد کوچک مثل آزمایشگاه روی تراشه طراحی شده اند این سیستم ها با دارا بودن قابلیت هایی همچون ارزان، استفاده آسان و یک بار مصرف بودن، توان بالادر آنالیز و نیاز به حجم کم نمونه می تواند کارآیی بالای خود را در مراکز کمک باروری نشان دهد.

 

منابع

1. Knowlton SM, Sadasivam M, Tasoglu S. Microfluidics for sperm research. Trends Biotechnol. 2015;33(4):221-9.

2. Nosrati R, Vollmer M, Eamer L, San Gabriel MC, Zeidan K, Zini A, et al. Rapid selection of sperm with high DNA integrity. Lab on a Chip. 2014;14(6):1142-50.
3. Wu J-K, Chen P-C, Lin Y-N, Wang C-W, Pan L-C, Tseng F-G. High-throughput flowing upstream sperm sorting in a retarding flow field for human semen analysis. Analyst. 2017;142(6):938-44.

تنظیم کنندگان

نادر هاشمی، حسین صادقی
1- دانشجوی دکتری تخصصی بیوتکنولوژی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران
2- دانشجوی دکتری تخصصی ژنتیک پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران