Голограмма из спермы

Впервые удалось проследить за трехмерной траекторией движения человеческих сперматозоидов. Сделать это удалось благодаря новой технологии, открывшей новое «трехмерное» окно в мир бактерий и простейших.

Бесконтактная технология голографического (см. врез) микротрекинга, разработанная в лабораториях Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), позволила впервые отследить с высокой точностью трехмерные траектории большого числа быстродвижущихся микроорганизмов без использования линзовых микроскопов и инвазивного (связанного с прямым контактом измерительных инструментов и различных маркеров с живыми клетками) мониторинга биообразцов.

С эпохой двумерной анимации, изображающей, как фагоцит (клетки иммунной системы, которые защищают организм путём поглощения вредных чужеродных частиц, бактерий, а также мёртвых или погибающих клеток – примечание «Газеты.Ru») охотится за чужеродными частицами, а сперматозоид проникает в яйцеклетку, теперь покончено.

С помошью безлинзовой микроголографии на микроуровне теперь можно разглядеть такие биологические процессы, которые раньше можно было увидеть лишь в компьютерных реконструкциях и фантастическом кино.

Статья с описанием технологии опубликована в ночь на вторник в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ее авторам – Лян Суэ из Нанкинского университета, Тин-Вэй Суа и руководителю группы Айдогану Оскану, работающим в UCLA – удалось на протяжении двадцати секунд наблюдать за передвижениями полутора тысяч человеческих сперматозоидов в образце семенной жидкости, то есть естественной для мужских гамет среде.

«Новый метод, позволяющий следить за передвижением тысяч мельчайших объектов одновременно и с субмикронной точностью в беспрецедентно большом по объему образце, позволит лучше понять как групповое, так и одиночное поведение микрорганизмов», – заявляют авторы статьи.

Предыдущие попытки получить «живые» голограммы микромира наталкивались на технические ограничения, связанные с использованием мощных линзовых микроскопов, сильно сужающих поле наблюдения, а также источников сильного когерентного излучения – сканирующих лазеров, необходимых для построения трехмерных траекторий.

Чтобы уменьшить световое зашумление образца высококогерентными (напомним, что когерентностью называют согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении) «разноцветными» фотонами, вызывающими эффекты паразитной интерференции и дифракции, группа Оскана вместо лазеров использовала более мягкий, частично когерентный свет от двух полупроводниковых источников красного и голубого цвета, расположенных под углом 45 градусов друг к другу, а от линзовых микроскопов отказалась вовсе, разместив биообразец непосредственно над фоточипом (см. верхний рисунок). Это позволило увеличить сканируемую площадь до 17 кв. мм, объем исследуемого образца – до 17 куб. мм, а число одновременно детектируемых микрообъектов, в данном случае сперматозоидов, – до полутора тысяч.

Красный и голубой свет, отражаемый головками сперматозоидов под разными углами, улавливался фоточипом, данные с которого обрабатывались по специальному статистическому алгоритму, позволяющему отслеживать в 3D продвижение отдельных половых клеток.

Благодаря точнейшему 3D-сканированию траекторий беспрецедентно большого числа одновременно движущихся сперматозоидов, удалось впервые наблюдать, что очень маленькая часть популяции мужских половых клеток (примерно 4-5%), оказавшись вне семенной жидкости, начинает двигаться не по прямой, а по необычной спиралевидной траектории довольно компактного радиуса – 0,5-3 микрометра, делая от 3 до 20 спиральных оборотов секунду и продвигаясь со скоростью примерно 20-100 микрометров в секунду. При этом большая часть таких редких «спиральных» сперматозоидов – 90% – предпочитают двигаться по правозакрученной спирали, и лишь 10% – по левозакрученной.

Оказавшись в семенной жидкости, число эксцентричных сперматозоидов резко падает, что связано, как предполагают авторы статьи, с ее высокой вязкостью и, возможно, биохимическим составом, так как уменьшение популяции «спиральных» гамет в сперме было не резким, а постепенным.

Авторы статьи пока никак не комментируют это открытие, хотя не исключают, что оно может сыграть важную роль в дальнейшем изучении поведения мужских половых клеток и разработке новых препаратов, влияющих на фертильность (например, контрацептивов, в том числе мужских): похоже, что разный тип подвижности сперматозоидов, наблюдаемый в разных средах, может быть как-то связан с различными сценариями движения мужских половых клеток в ампулярной части фаллопиевой трубы, где происходит оплодотворение.