Выявление быстрых сперматозоидов: высокомощный анализ волновых форм движений жгутиков
Учёные из Великобритании разработали новый программный метод анализа движений жгутиков сперматозоидов.
Вопрос исследования
Можно ли усовершенствовать анализ движений жгутиков таким образом, чтобы автоматически отслеживать подвижные сперматозоиды, и предоставляет ли оценка волновых форм движений жгутиков новую информацию по сравнению с рутинным отслеживанием головок.
Краткий ответ
Высокомощное отслеживание волновых форм движений жгутиков и их анализ позволяют измерять такие с трудом определяемые количественные переменные, как рассеивание энергии, возмущение жидкой среды и вязкое напряжение, которые невозможно оценить отслеживая лишь головки сперматозоидов.
Что уже известно
Клинический золотой стандарт для анализа подвижности сперматозоидов это ручная оценка обученным профессионалом, тогда как существующие автоматизированные диагностические системы для анализа спермы [компьютер-ассистированный анализ спермы (CASA)] зависят от отслеживания головок сперматозоидов и экстраполирования переменных.
Ни один из этих подходов на сегодняшний день не позволяет отслеживать волновые формы движений жгутиков сперматозоидов при большом количестве клеток, что может открыть богатый источник новой информации.
Дизайн, объём и продолжительность исследования
Описанный в этой рукописи программный инструмент был разработан для того, чтобы выполнять высокомощный, воспроизводимый, точный и верифицируемый анализ движений жгутиков сперматозоидов.
Участники / материалы, условия, методы
Используя программный инструмент [Flagellar Analysis and Sperm Tracking (FAST)], описанный в этой рукописи, мы проанализировали 176 экспериментальных микроскопических видеозаписей и отследили головки и жгутики у 205 прогрессивно подвижных клеток в разбавленной семенной жидкости (РСЖ), у 119 прогрессивно подвижных клеток в среде с высокой вязкостью (СВВ) и у 42 застрявших клеток в среде с низкой вязкостью. Не проходивших скрининг доноров набирали в Birmingham Women’s and Children’s NHS Foundation Trust после получения информированного согласия.
Основные результаты и влияние случайности
Мы описали полностью автоматизированное отслеживание и анализ движений жгутиков у большого количества клеток. Анализ продемонстрирован на свободно подвижных клетках в жидкости с низкой и высокой вязкостью и валидизирован на опубликованных данных по связанным клеткам, в которых индуцируется фармакологическая гиперактивация.
Прямой анализ движений жгутиков показал, что определяемый при CASA параметр «частота перекрестного биения» не измеряет частоту биения; попытка провести прямую линию между этими двумя переменными даёт значения R2, равные 0.042 и 0.00054 для клеток в РСЖ и СВВ соответственно. Новая переменная, скорость отслеживаемых центроидов, валидизирована как точный дифференциальный признак прогрессивной подвижности.
В совокупности с уравнениями жидкостной механики данные волновых форм позволяют оценить такие трудные параметры, как рассеивание энергии, возмущение жидкой среды и вязкое напряжение. Мы создали мощный и доступный исследовательский инструмент, который позволяет связать механическую активность сперматозоидов с их подвижностью и воздействием на среду.
Крупномасштабные данные
Программный пакет FAST и всю документацию можно скачать на www.flagellarCapture.com.
Ограничения и причины для осторожности
Программный пакет FAST проверялся только при применении в сочетании с негативной фазово-контрастной микроскопией. Другие модальности визуализации с яркими клетками на тёмном фоне не проверялись, но могут работать.
FAST не разрабатывался для работы с необработанной семенной жидкостью; он предназначен конкретно для точного анализа флагеллярной кинетики, так как это перспективная область для применения компьютерного анализа. Фиксация движений жгутиков всегда требует разведения, чтобы траектории клеток не пересекались.
Более широкие выводы из полученных результатов
Комбинация отслеживания жгутиков с математическим моделированием потенциально может дать понимание новых аспектов механики передвижения сперматозоидов. Предоставляя программный пакет для бесплатного пользования, мы надеемся, что способность количественной оценки волновых форм жгутиков в крупных популяциях подвижных клеток откроет новые возможности в диагностике, токсикологической оценке и терапии, а также даст новые способы изучения и лечения мужской субфертильности.
Финансирование исследования / конфликт интересов
M.T.G., G.C., J.C.K-B. и D.J.S. с благодарностью признают спонсорство Engineering and Physical Sciences Research Council, Healthcare Technologies Challenge Award (Rapid Sperm Capture EP/N021096/1). J.C.K-B. получает финансирование от National Institute of Health Research (NIHR) и Health Education England, Senior Clinical Lectureship Grant: The role of the human sperm in healthy live birth (NIHRDH-HCS SCL-2014-05-001).
Эта статья представляет результаты независимого исследования, которое частично профинансировано NIHR и Health Education England. Выраженные авторами взгляды не обязательно совпадают с мнением NHS, NIHR или департамента здравоохранения. Данные экспериментальной выборки (2) были получены благодаря финансовой поддержке Wellcome Trust-University of Birmingham Value in People Fellowship Bridging Award (E.H.O.). Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
M T Gallagher, G Cupples, E H Ooi, J C Kirkman-Brown, D J Smith
Human Reproduction, Volume 34, Issue 7, July 2019, Pages 1173–1185
DOI: https://doi.org/10.1093/humrep/dez056