精子活力與精子授精能力密切相關(guān)，是評價雄性生育能力的重要指標(biāo)。臨床上對精子質(zhì)量的檢測方法主要包括顯微鏡鏡檢、計(jì)算機(jī)輔助精子分析系統(tǒng)檢測（CASA）、流式細(xì)胞術(shù)檢測等，但都存在高成本、操作復(fù)雜、需專業(yè)操作人員等弊端。而家用精液檢測試劑盒雖然避免了上述缺陷，但僅能評估單一的有限參數(shù)（如僅能定性檢測活力，無法量化總數(shù)），結(jié)果可靠性不足。因此，開發(fā)一種便捷、可靠的精子活力測定新方法具有重要意義。

2025年1月，來自加拿大滑鐵盧大學(xué)納米技術(shù)研究所的Sudip Shyam等人在Advanced Materials Interfaces（IF=4.3）上發(fā)表研究論文 “Connecting Droplet Adhesion with Sperm Kinematics: A New Paradigm in Sperm Quality Monitoring”，研究人員基于精子與液滴表面的相互作用和液滴三相接觸線（TCL）動力學(xué)，提出了通過精子懸液液滴的界面粘附力預(yù)測其活力的新思路，并開發(fā)了一種基于懸臂梁偏轉(zhuǎn)的力測量系統(tǒng)（cantilever-deflection method），用于量化精子液滴的粘附力，降低測量誤差、簡化測量設(shè)備的同時，可實(shí)現(xiàn)低成本家用檢測。

結(jié)果一：精子液滴的異常潤濕動力學(xué)

研究人員使用了接觸角測角法（Contact angle measurements）和懸臂梁粘附力測量（Cantilever-based adhesion measurements）來比較活精子與死精子液滴的潤濕行為差異，發(fā)現(xiàn)接觸角測角法的結(jié)果無顯著差異（圖1A-C），而懸臂梁粘附力測量的結(jié)果可明顯區(qū)分出活精子（粘附力≈13 μN(yùn)）和死精子（粘附力≈56 μN(yùn)）（圖1D-F），因此在后續(xù)研究中采用懸臂梁粘附力測量法進(jìn)行研究。

圖1 活精子、死精子和DMEM液滴的潤濕動力學(xué)

結(jié)果二：精子運(yùn)動學(xué)的時間變化

使用懸臂梁粘附力測量法，研究人員每30 min測定一次精子液滴的粘附力。從圖2A中可以清晰的看到，懸臂的撓度隨著時間的推移而增加，表明液滴粘附力逐漸增大（即向死精子的高粘附力狀態(tài)趨近），與此同時，精子活力則呈下降趨勢（圖2B,C）。

圖2精子液滴粘附力的時序變化

使用相差顯微鏡（DIC microscopy）記錄精子的運(yùn)動參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，精子逐漸喪失運(yùn)動能力（圖3A,B），精子直線運(yùn)動速度（VSL），曲線運(yùn)動速度（VCL），平均運(yùn)動速度（VAP）也存在不同程度的衰減（圖3C,D）。

圖3精子運(yùn)動學(xué)的時序變化

為了更進(jìn)一步的了解精子運(yùn)動的物理過程，研究人員計(jì)算了精子運(yùn)動學(xué)的衍生參數(shù)。精子在高運(yùn)動狀態(tài)下（t = 0 min），精子直線性（LIN）和前向性（STR）較高，且精子頭側(cè)向移位幅度（ALH）較大；而精子在低運(yùn)動狀態(tài)下（t = 120 min），LIN和STR隨時間降低，ALH也出現(xiàn)了較大程度的下降（圖4A,B,D）。此外，精子擺動性（WOB）無顯著變化，鞭打頻率（BCF）則出現(xiàn)了一定的上升（圖4C,E）。通過引入?yún)?shù)?（ALH × BCF）反應(yīng)精子橫向運(yùn)動的能力，發(fā)現(xiàn)?也隨著時間的推移而下降（圖4F）。

以上結(jié)果表明，高運(yùn)動狀態(tài)下的精子可以保持較高的線性運(yùn)動能力和橫向移動能力，然而隨著時間推移，僅管精子頭部擺動的頻率沒有減少，但橫向運(yùn)動的能力會出現(xiàn)大幅下降。為了與液滴粘附力的下降建立聯(lián)系，研究人員使用線性擬合進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)LIN、STR、ALH和參數(shù)?與液滴粘附力呈現(xiàn)線性相關(guān)，證明精子的移動能力可能與精子液滴粘附力存在關(guān)聯(lián)。

圖4精子衍生運(yùn)動參數(shù)的時序變化

結(jié)果三：液滴粘附與精子運(yùn)動學(xué)的關(guān)聯(lián)機(jī)制

已有研究報道，精子與液滴表面的相互作用包括兩種模式：平行運(yùn)動模式（Progressive surface-aligned motility）和侵襲運(yùn)動模式（Aggressive surface-attacking motility）。不同運(yùn)動模式的主導(dǎo)地位取決于液滴表面的曲率，低曲率值的曲面以平行運(yùn)動模式為主，而高曲率值的曲面以侵襲運(yùn)動模式為主。

該研究采用的低曲率值液滴可以使高速運(yùn)動的精子以平行運(yùn)動模式移動，在這種模式下精子不會對液滴三相接觸線產(chǎn)生力作用。因此，在液滴三相接觸線必須收縮的情況下，高速運(yùn)動的精子不會引起任何限制力來應(yīng)對接觸線的收縮。但當(dāng)精子活力下降或橫向運(yùn)動能力衰退時，液滴三相接觸線收縮受阻，導(dǎo)致液滴粘附力上升（圖5）。

圖5精子活力與液滴粘附力互作的示意圖

總結(jié)

綜上所述，該研究將界面力學(xué)和精子動力學(xué)相結(jié)合，開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)精子液滴粘附力隨精子運(yùn)動性的衰減而升高，活精子的液滴粘附力顯著低于死精子。通過標(biāo)準(zhǔn)化粘附力測量，該研究有望為開發(fā)低成本、自動化精子質(zhì)量評估設(shè)備奠定理論基礎(chǔ)，對家庭用精液檢測試劑盒的研發(fā)、臨床醫(yī)療檢測、畜牧業(yè)人工授精和遺傳改良具有重要意義。

參考資料：

https://doi.org/10.1002/admi.202400680

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