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新技术准确呈现高速运动的精子细胞,有助体外受精

以色列特拉维夫大学的研究人员近日开发出一种安全又准确的3D成像方法,可以鉴定高速移动的精子细胞。这项研究由特拉维夫大学生物医学工程系的Natan Shaked教授领导,发表在《Science Advances》杂志上。

有了这项新技术,医生能够在体外受精(IVF)的治疗过程中选择质量高的精子,并采用显微操作技术直接将精子注射到卵细胞胞浆内,使卵子受精,从而增加女性怀孕和诞下健康婴儿的机会。

体外受精技术的发明大大解决了生育问题。Shaked教授表示:“目前,常见的体外受精类型是胞浆内精子注射(ICSI),这需要由临床胚胎学家选择精子并注射到女性卵子中。为此,人们精心挑选精子细胞,以便形成健康的胚胎。”

在自然受精的情况下,快到达卵子的精子通常被认为有着高质量的遗传物质。前向运动(progressive movement)使得“佳”精子能够克服女性生殖系统的真正障碍。然而,胚胎学家却无法利用这种自然选择的过程。

Shaked解释说:“精子细胞不仅行动迅速,而且在常规的光学显微镜下大多是透明的,而体外受精过程也不能够对细胞进行染色。现有的成像技术可能导致胚胎损伤,因此也是禁止的。在这种情况下,精子细胞的选择主要是依据其外部特征和运动活力,这与女性体内的自然环境有很大不同。”

为此,研究人员希望开发出一种全新的成像技术,能够提供单个精子细胞的尽可能多的信息,并且不需要细胞染色来增强对比度。他们的目标是选择出佳的精子,用于体外受精治疗。终,他们选择了计算机断层扫描(CT)技术来完成精子细胞成像的独特任务。

标准的计算机断层扫描是围绕对象旋转并发出X射线,产生多个投影,终形成人体的3D图像。不过,精子的情况更复杂一点,因为无法围绕这个微小的物体旋转。于是研究人员就依靠精子本身的自然特征:它的头部在向前运动期间不断旋转。

Shaked教授介绍,他们采用了弱光,而不是X射线,因此不会对细胞造成损伤。他们在超快运动的过程中记录了精子细胞的全息图,并根据其折射率确定了各种内部成分。这样,不需要染色,也能创建准确的动态图像。


精子细胞的4D重建(图片来自原文)

利用这种技术,研究人员能够以极高的分辨率获得精子的清晰CT图像。“我们能够在精子头部快速移动时对其进行高分辨率成像,而无需使用可能会影响胚胎的染色方法。这项新技术大大改善了体外精子细胞的选择,从而增加了女性怀孕和诞下健康婴儿的机会,”Shaked教授说。

他打算利用这项技术来阐明精子的3D运动、结构和成分与受精能力和妊娠能力之间的关系,以帮助诊断男性的不育问题。他认为,这种成像技术未来有望应用在其他医学领域

 

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