Селекция сперматозоидов в программах вспомогательных репродуктивных технологий методами активной микрофлюидики на основе положительного реотаксиса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На протяжении последних 50 лет наблюдается глобальное снижение качества человеческой спермы. По различным данным, около 10–15% пар по всему миру имеют проблемы с зачатием, в 30–50% случаев обусловленные нарушением сперматогенеза. Выделение высококачественных подвижных сперматозоидов из образцов спермы является важным шагом, во многом определяющим эффективность вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ). За последние годы накоплен значительный объем информации о природе движения сперматозоидов по женским половым путям. Устройства на основе микрофлюидики позволяют проводить более физиологичный отбор сперматозоидов с точки зрения подвижности, жизнеспособности, целостности ДНК и морфологии, так как дают возможность для имитации естественных условий и препятствий, действующих на сперматозоиды в естественной среде женского организма. Благодаря моделированию и контролю условий, воздействующих на образец спермы, они позволяют выделять сперматозоиды с наиболее высоким потенциалом для успешного оплодотворения.

В настоящем обзоре приведены новые научные данные, касающиеся использования способности сперматозоидов двигаться против тока жидкости на эмбриологическом этапе программ лечения бесплодия методами ВРТ. Также описаны новые устройства (лаборатория-на-чипе), которые могут быть успешно интегрированы в клиническую практику при селекции мужских гамет клиническим эмбриологом. В обзор включены данные зарубежных и российских статей, найденных в системах PubMed и eLibrary, опубликованных за последние 10 лет.

Заключение: Активная микрофлюидика представляет перспективное направление для развития методов селекции сперматозоидов, способных обеспечить повышение эффективности процедур вспомогательной репродукции и улучшение клинических исходов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Наталья Петровна Макарова

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: np_makarova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0003-1396-7272

д.б.н., в.н.с. отделения вспомогательных технологий в лечении бесплодия им. проф. Б.В. Леонова

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Алина Юрьевна Капитанникова

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Email: a_kapitannikova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-0765-773X

м.н.с. лаборатории биофотоники

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Анастасия Павловна Сысоева

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Email: sysoeva.a.p@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6502-4498

к.б.н., эмбриолог отделения вспомогательных технологий в лечении бесплодия им. проф. Б.В. Леонова

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Василий Сергеевич Чернышев

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Email: v_chernyshev@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0003-2372-7037

к.т.н., заведующий лабораторией биофотоники

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Елена Анатольевна Калинина

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Email: e_kalinina@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-8922-2878

д.м.н., профессор, заведующая отделением вспомогательных технологий в лечении бесплодия им. проф. Б.В. Леонова

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Геннадий Тихонович Сухих

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России

Email: g_sukhikh@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-7712-1260

академик РАН, д.м.н., профессор, директор

Россия, 117997, Москва, ул. Ак. Опарина, д. 4

Список литературы

  1. Ivkosic I.E., Mesic J., Fures R., Hrgovic Z., Bulic L., Brenner E. et al. Infertility - a great challenge of the past, present, and future. Mater. Sociomed. 2025; 37(1): 74-9. https://dx.doi.org/10.5455/msm.2025.37.74-79
  2. Agarwal A., Baskaran S., Parekh N., Cho C.L., Henkel R., Vij S. et al. Male infertility. Lancet. 2021; 397(10271): 319-33. https://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736(20)32667-2
  3. Назаренко Т.А., ред. Бесплодный брак: клинические задачи и их решение. М.: МЕДпресс-информ; 2024. 127 с. [Nazarenko T.A., ed. Infertile marriage: clinical problems and their solution. Moscow: MEDpress-inform; 2024. 127 p. (in Russian)].
  4. Tiptiri-Kourpeti A., Asimakopoulos B., Nikolettos N. A narrative review on the sperm selection methods in assisted reproductive technology: out with the new, the old is better? J. Clin. Med. 2025; 14(4): 1066. https://dx.doi.org/10.3390/jcm14041066
  5. Agarwal A., Cho C.L., Majzoub A., Esteves S.C. The Society for Translational Medicine: clinical practice guidelines for sperm DNA fragmentation testing in male infertility. Transl. Androl. Urol. 2017; 6(Suppl. 4): S720-S733. https://dx.doi.org/10.21037/tau.2017.08.06
  6. Дети из чипа: инновационная технология отбора качественных сперматозоидов. Инновационная фармакотерапия. 2024; 1(19): 44-8. [Children from the chip: an innovative technology for selecting high-quality sperm. Innovative pharmacotherapy. 2024; 1(19): 44-8. (in Russian)].
  7. Беляева Л.А., Шурыгина О.В., Тугушев М.Т., Миронов С.Ю. Опыт применения микрожидкостных чипов для сортировки спермы у пациентов с лечением бесплодия. Ульяновский медико-биологический журнал. 2024; 1: 82-90. [Belyaeva L.A., Shurygina O.V., Tugushev M.T., Mironov S.Yu. Using microfluidic sperm sorting chips in patients with infertility. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2024; (1): 82-90. (in Russian)]. https://dx.doi.org/10.34014/2227-1848-2024-1-82-90
  8. Meseguer F., Giménez Rodríguez C., Rivera Egea R., Carrión Sisternas L., Remohí J.A., Meseguer M. Can microfluidics improve sperm quality? A prospective functional study. Biomedicines. 2024; 12(5): 1131. https://dx.doi.org/10.3390/biomedicines12051131
  9. Макарова Н.П., Сысоева А.П., Чернышев В.С., Гаврилов М.Ю., Лобанова Н.Н., Кулакова Е.В., Калинина Е.А. Клиническая и биологическая эффективность использования микрожидкостных чипов для селекции сперматозоидов при лечении бесплодия методами вспомогательных репродуктивных технологий. Акушерство и гинекология. 2024; 11: 138-45. [Makarova N.P., Sysoeva A.P., Chernyshev V.S., Gavrilov M.Yu., Lobanova N.N., Kulakova E.V., Kalinina E.A. Clinical and biological efficacy of microfluidic chips for sperm selection in infertility treatment using assisted reproductive technologies. Obstetrics and Gynecology. 2024; (11): 138-45 (in Russian)]. https://dx.doi.org/10.18565/aig.2024.172
  10. Jahangiri A.R., Ziarati N., Dadkhah E., Bucak M.N., Rahimizadeh P., Shahverdi A. et al. Microfluidics: The future of sperm selection in assisted reproduction. Andrology. 2024; 12(6): 1236-52. https://dx.doi.org/10.1111/andr.13578
  11. Колесов Д.В., Вишнякова П.А., Макарова Н.П., Московцев А.А., Чернышев В.С. Микрофлюидика для вспомогательных репродуктивных технологий. От рождения до активного долголетия: Сборник тезисов докладов II Международного форума геномных и биомедицинских технологий. Сургут: Издательский центр СурГУ; 2024: 9-10. [Kolesov D.V., Vishnyakova P.A., Makarova N.P., Moskovtsev A.A., Chernyshev V.S. Microfluidics for assisted reproductive technologies. From birth to active longevity: Collection of abstracts of reports of the II International Forum of Genomic and Biomedical Technologies. Surgut: Publishing Center of SurSU; 2024: 9-10. (in Russian)].
  12. Патент на полезную модель № 230440U1 Российская Федерация, МПК C12N 5/076, G01N 33/487. Устройство для селекции мужских половых клеток с повышенной оплодотворяющей способностью для использования на эмбриологическом этапе программ лечения бесплодия методами вспомогательных репродуктивных технологий (POSHspermWash). Макарова Н.П., Чернышев В.С., Колесов Д.В., Сухих Г.Т. № 2024120398; заявл. 19.07.2024; опубл. 03.12.2024. [RU230440U1 Russian Federation, IPC C12N 5/076, G01N 33/487. Device for selection of male germ cells with increased fertilization capacity for use at the embryological stage of infertility treatment programs using assisted reproductive technologies (POSHspermWash). Makarova N.P., Chernyshev V.S., Kolesov D.V., Sukhikh G.T. No. 2024120398; appl. 19.07.2024; publ. 03.12.2024. (in Russian)].
  13. Zhou L., Liu H., Liu S., Yang X., Dong Y., Pan Y. et al. Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility. Cell. 2023; 186(13): 2897-2910.e19. https://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.009
  14. Kumar N., Singh A.K. The anatomy, movement, and functions of human sperm tail: an evolving mystery. Biol. Reprod. 2021; 104(3): 508-20. https://dx.doi.org/10.1093/biolre/ioaa213
  15. Tamburrino L., Marchiani S., Muratori M., Luconi M., Baldi E. Progesterone, spermatozoa and reproduction: An updated review. Mol. Cell. Endocrinol. 2020; 516: 110952. https://dx.doi.org/10.1016/j.mce.2020.110952
  16. Mahé C., Zlotkowska A.M., Reynaud K., Tsikis G., Mermillod P., Druart X. et al. Sperm migration, selection, survival, and fertilizing ability in the mammalian oviduct. Biol. Reprod. 2021; 105(2): 317-31. https://dx.doi.org/10.1093/biolre/ioab105
  17. Hirashima T., W P S., Noda T. Collective sperm movement in mammalian reproductive tracts. Semin. Cell Dev. Biol. 2025; 166: 13-21. https://dx.doi.org/10.1016/j.semcdb.2024.12.002
  18. Roldan E.R.S., Teves M.E. Understanding sperm physiology: Proximate and evolutionary explanations of sperm diversity. Mol. Cell. Endocrinol. 2020; 518: 110980. https://dx.doi.org/10.1016/j.mce.2020.110980
  19. Sheibak N., Zandieh Z., Amjadi F., Aflatoonian R. How sperm protects itself: A journey in the female reproductive system. J. Reprod. Immunol. 2024; 163: 104222. https://dx.doi.org/10.1016/j.jri.2024.104222
  20. Cui Z., Wang Y., den Toonder J.M.J. Metachronal motion of biological and artificial cilia. Biomimetics (Basel). 2024; 9(4): 198. https://dx.doi.org/10.3390/biomimetics9040198
  21. Lindemann C.B., Lesich K.A. The many modes of flagellar and ciliary beating: Insights from a physical analysis. Cytoskeleton (Hoboken). 2021; 78(2): 36-51. https://dx.doi.org/10.1002/cm.21656
  22. Raidt J., Werner C., Menchen T., Dougherty G.W., Olbrich H., Loges N.T. et al. Ciliary function and motor protein composition of human fallopian tubes. Hum. Reprod. 2015; 30(12): 2871-80. https://dx.doi.org/10.1093/ humrep/dev227
  23. Suarez S.S. Mammalian sperm interactions with the female reproductive tract. Cell Tissue Res. 2016; 363(1): 185-94. https://dx.doi.org/10.1007/ s00441-015-2244-2
  24. Tung C.K., Ardon F., Roy A., Koch D.L., Suarez S.S., Wu M. Emergence of upstream swimming via a hydrodynamic transition. Phys. Rev. Lett. 2015; 114(10): 108102. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.108102
  25. Hyakutake T., Higashiyama D., Tsuchiya T. Prediction of sperm motion behavior in microfluidic channel using sperm swimming model. J. Biomech. 2024; 176: 112336. https://dx.doi.org/10.1016/j.jbiomech.2024.112336
  26. Shiba K. Regulatory mechanisms for sperm chemotaxis and flagellar motility. Genesis. 2023; 61(6): e23549. https://dx.doi.org/10.1002/dvg.23549
  27. Zhang Z., Liu J., Meriano J., Ru C., Xie S., Luo J. et al. Human sperm rheotaxis: a passive physical process. Sci. Rep. 2016; 6: 23553. https://dx.doi.org/10.1038/srep23553
  28. Bukatin A., Kukhtevich I., Stoop N., Dunkel J., Kantsler V. Bimodal rheotactic behavior reflects flagellar beat asymmetry in human sperm cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015; 112(52): 15904-9. https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1515159112
  29. Bukatin A., Denissenko P., Kantsler V. Self-organization and multi-line transport of human spermatozoa in rectangular microchannels due to cell-cell interactions. Sci. Rep. 2020; 10(1): 9830. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-020-66803-2
  30. Romero-Aguirregomezcorta J., Sugrue E., Martínez-Fresneda L., Newport D., Fair S. Hyperactivated stallion spermatozoa fail to exhibit a rheotaxis-like behaviour, unlike other species. Sci. Rep. 2018; 8(1): 16897. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-34973-9
  31. Chinnasamy T., Kingsley J.L., Inci F., Turek P.J., Rosen M.P., Behr B. et al. Guidance and self-sorting of active swimmers: 3D periodic arrays increase persistence length of human sperm selecting for the fittest. Adv. Sci. (Weinh). 2018; 5(2): 1700531. https://dx.doi.org/10.1002/advs.201700531
  32. Dai P., Chen C., Yu J., Ma C., Zhang X. New insights into sperm physiology regulation: Enlightenment from G-protein-coupled receptors. Andrology. 2024; 12(6): 1253-71. https://dx.doi.org/10.1111/andr.13593
  33. Elango K., Kekäläinen J. Putting nose into reproduction: influence of nasal and reproductive odourant signaling on male reproduction. Mol. Reprod. Dev. 2025; 92(1): e70010. https://dx.doi.org/10.1002/mrd.70010
  34. Jikeli J.F., Alvarez L., Friedrich B.M., Wilson L.G., Pascal R., Colin R. et al. Sperm navigation along helical paths in 3D chemoattractant landscapes. Nat. Commun. 2015; 6: 7985. https://dx.doi.org/10.1038/ncomms8985
  35. Yoshida M., Yoshida K. Activation of motility and chemotaxis in the spermatozoa. Reprod. Med. Biol. 2025; 24(1): e12638. https://dx.doi.org/10.1002/rmb2.12638
  36. Pérez-Cerezales S., Laguna-Barraza R., de Castro A.C., Sánchez-Calabuig M.J., Cano-Oliva E., de Castro-Pita F.J. et al. Sperm selection by thermotaxis improves ICSI outcome in mice. Sci. Rep. 2018; 8(1): 2902. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-21335-8
  37. Shirota K., Yotsumoto F., Itoh H., Obama H., Hidaka N., Nakajima K. et al. Separation efficiency of a microfluidic sperm sorter to minimize sperm DNA damage. Fertil. Steril. 2016; 105(2): 315-21.e1. https://dx.doi.org/10.1016/j.fertnstert.2015.10.023
  38. Huang C.H., Chen C.H., Huang T.K., Lu F., Jen Huang J.Y., Li B.R. Design of a gradient-rheotaxis microfluidic chip for sorting of high-quality sperm with progressive motility. iScience. 2023; 26(8): 107356. https://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2023.107356
  39. Danis R.B., Samplaski M.K. Sperm morphology: history, challenges, and impact on natural and assisted fertility. Curr. Urol. Rep. 2019; 20(8): 43. https://dx.doi.org/10.1007/s11934-019-0911-7
  40. El-Sherry T.M., Abdel-Ghani M.A., Abdel Hafez H.K., Abdelgawad M. Rheotaxis of sperm in fertile and infertile men. Syst. Biol. Reprod. Med. 2023; 69(1): 57-63. https://dx.doi.org/10.1080/19396368.2022.2141154
  41. Yaghoobi M., Azizi M., Mokhtare A., Javi F., Abbaspourrad A. Rheotaxis quality index: a new parameter that reveals male mammalian in vivo fertility and low sperm DNA fragmentation. Lab. Chip. 2022; 22(8): 1486-97. https://dx.doi.org/10.1039/d2lc00150k
  42. Romero-Aguirregomezcorta J., Laguna-Barraza R., Fernández-González R., Štiavnická M., Ward F., Cloherty J. et al. Sperm selection by rheotaxis improves sperm quality and early embryo development. Reproduction. 2021; 161(3): 343-52. https://dx.doi.org/10.1530/REP-20-0364
  43. Yaghoobi M., Abdelhady A., Favakeh A., Xie P., Cheung S., Mokhtare A. et al. Faster sperm selected by rheotaxis leads to superior early embryonic development in vitro. Lab. Chip. 2024; 24(2): 210-23. https://dx.doi.org/10.1039/d3lc00737e
  44. Faisal R.M., Ayeleru O.O., Modekwe H.U., Ramatsa I.M. Bibliometric study of plastics microfluidic chip from 1994 to 2022: A review. Heliyon. 2025; 11(2): e42102. https://dx.doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e42102
  45. Zaferani M., Cheong S.H., Abbaspourrad A. Rheotaxis-based separation of sperm with progressive motility using a microfluidic corral system. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018; 115(33): 8272-7. https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1800819115
  46. Sarbandi I.R., Lesani A., Moghimi Zand M., Nosrati R. Rheotaxis-based sperm separation using a biomimicry microfluidic device. Sci. Rep. 2021; 11: 18327. https://doi.org/10.1038/s41598-021-97602-y
  47. Heidarnejad A., Sadeghi M., Arasteh S., Ghiass M.A. A novel microfluidic device for human sperm separation based on rheotaxis. Zygote. 2025; 33(1): 23-31. https://dx.doi.org/10.1017/S0967199424000467
  48. Banti M., Van Zyl E., Kafetzis D. Sperm preparation with microfluidic sperm sorting chip may improve intracytoplasmic sperm injection outcomes compared to density gradient centrifugation. Reprod. Sci. 2024; 31(6): 1695-704. https://dx.doi.org/10.1007/s43032-024-01483-1
  49. Ahmadkhani N., Saadatmand M., Kazemnejad S., Abdekhodaie M. Qualified sperm selection based on the rheotaxis and thigmotaxis in a microfluidic system. Biomed. Eng. Lett. 2023; 13: 671-80. https://dx.doi.org/10.1007/s13534-023-00294-8
  50. Heydari A., Zabetian Targhi M., Halvaei I., Nosrati R. A novel microfluidic device with parallel channels for sperm separation using spermatozoa intrinsic behaviors. Sci. Rep. 2023; 13: 1185. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-023-28315-7
  51. Bouloorchi Tabalvandani M., Javadizadeh S., Badieirostami M. Bio-inspired progressive motile sperm separation using joint rheotaxis and boundary-following behavior. Lab. Chip. 2024; 24(6): 1636-47. https://dx.doi.org/10.1039/d3lc00893b

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение зон действия механизмов продвижения сперматозоидов по половым путям (подготовлен авторами)

Скачать (247KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематичное изображение устройства [46]. Стрелкой обозначена зона реотаксиса

Скачать (107KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Устройство с гравитационно-управляемым потоком [38]. Цифрами обозначены: 1) входное отверстие для подачи буфера; 2) отверстие для сбора фракции подвижных сперматозоидов; 3) отверстие для ввода образца спермы; 4) отверстие для сбора отходов

Скачать (112KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схематичное изображение устройства, предложенного Heidarnejad A. et al. [47]. Цифрами обозначены: 1) зона ввода образца в систему; 2) зоны реотаксиса; 3) зона сбора образца

Скачать (217KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схематичное изображение микроканала в устройстве Ahmadkhani N. et al. [49]. Цифрами обозначены: 1) входное отверстие; 2) зона сбора сперматозоидов с положительным реотаксисом; 3) зона ввода буфера; 4) зона соединения

Скачать (123KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схематичное изображение микрофлюидного устройства, предложенного Heydari A. et аl. [50]

Скачать (170KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схематичное изображение устройства [51]. А) зона накопления сперматозоидов; Б) зона сортировки сперматозоидов

Скачать (261KB)
Метаданные

© ООО «Бионика Медиа», 2025