IVF thường chọn sperm nhìn khỏe và bơi nhanh: Chip nhỏ bắt chước tín hiệu quanh trứng để lọc thêm DNA hỏng

Một sperm có thể bơi nhanh, trông bình thường dưới kính hiển vi và vẫn mang DNA bị tổn thương. Đây là một khoảng trống khó chịu trong quá trình chuẩn bị sperm cho IVF và ICSI: nhiều phương pháp hiện tại làm tốt việc làm giàu những tế bào di động và có hình thái đẹp, nhưng hai đặc điểm đó không đủ để nói sperm có bộ gen nguyên vẹn hay có khả năng hỗ trợ phôi phát triển bình thường.

Một nhóm tại University of Adelaide và Flinders University đang thử đưa thêm một lớp sàng lọc sinh học vào một thiết bị vi lưu nhỏ. Thay vì chỉ để những sperm bơi khỏe tự vượt qua một kênh, thiết bị của họ cố mô phỏng hai cơ chế xảy ra trong đường sinh dục nữ: giữ lại các sperm có dấu hiệu bước vào quá trình chết tế bào, rồi dùng progesterone như một tín hiệu hóa học để hỗ trợ sperm còn lại di chuyển về phía đầu ra.

Kết quả được công bố trên Advanced Functional Materials cho thấy phiên bản microchannel-NGS thu được một quần thể sperm có mức DNA fragmentation trung bình 0,6 ± 0,5% trong thử nghiệm cuối. Đây là con số thấp hơn đáng kể so với mẫu ban đầu và thấp hơn các phương pháp đối chứng trong nghiên cứu. Nhưng cần đọc kết quả này đúng phạm vi: các thí nghiệm sử dụng mẫu tinh dịch của nam giới khỏe mạnh có thông số tinh dịch bình thường, số mẫu ở nhiều phép so sánh chỉ từ ba đến bốn người, và nhóm chưa chứng minh thiết bị làm tăng tỷ lệ thụ tinh, tạo phôi, mang thai hay sinh sống.

“Nhìn khỏe” không đồng nghĩa DNA nguyên vẹn

Trong IVF, sperm thường được chuẩn bị bằng các kỹ thuật như swim-up hoặc ly tâm gradient mật độ. Swim-up dựa nhiều vào khả năng vận động: sperm bơi tốt sẽ di chuyển khỏi lớp tinh dịch vào môi trường phía trên để được thu lại. Với ICSI, một embryologist sau đó còn có thể chọn một sperm dựa trên độ di động và hình thái dưới kính hiển vi trước khi tiêm trực tiếp vào noãn.

Vấn đề là DNA fragmentation và những thay đổi sớm của apoptosis không nhất thiết làm một sperm trông bất thường. Paper của nhóm Adelaide nhấn mạnh rằng sperm vẫn có thể di động và có hình thái chấp nhận được trong khi phosphatidylserine, hay PS, đã xuất hiện ở mặt ngoài màng tế bào — một dấu hiệu thường đi cùng trạng thái tiền apoptosis và tổn thương DNA.

Nhóm bắt đầu với một phiên bản kênh đơn giản. Trong thử nghiệm trên ba mẫu, tinh dịch chưa xử lý có tỷ lệ sperm mang DNA fragmentation khoảng 27 ± 8%. Swim-up giảm xuống 12 ± 4%, còn kênh vi lưu chưa được chức năng hóa giảm xuống 8 ± 1%. Điều này cho thấy chỉ riêng việc buộc sperm tự di chuyển qua một không gian hẹp đã có tác dụng làm giàu quần thể tốt hơn.

Nhưng nhóm muốn chip làm nhiều hơn việc kiểm tra ai bơi khỏe.

Lớp đầu tiên giữ lại sperm có dấu hiệu apoptosis

Bề mặt kính của thiết bị được phủ một lớp plasma-polymerized polyoxazoline, hay PPOx, để có thể gắn các phân tử sinh học bền vững lên bề mặt. Trên vùng gần đầu vào, nhóm cố định kháng thể anti-phosphatidylserine, viết tắt anti-PS.

Ở tế bào khỏe mạnh, phosphatidylserine chủ yếu nằm ở mặt trong của màng. Khi tế bào bước vào apoptosis, phân tử này có thể lộ ra bên ngoài. Anti-PS trên chip vì vậy hoạt động như một chiếc bẫy: những sperm biểu hiện dấu hiệu này dễ bị giữ lại trên bề mặt, trong khi phần không bị bắt tiếp tục đi qua.

Cách làm này được lấy cảm hứng từ một quá trình sinh học thực tế. Trong đường sinh dục nữ, các tế bào miễn dịch và biểu mô góp phần loại bớt những sperm kém chất lượng trước khi số rất ít còn lại tiến gần tới vị trí thụ tinh. Thiết bị không tái tạo toàn bộ môi trường đó, nhưng nó cố sao chép một nguyên tắc: loại bỏ chủ động sperm có marker sinh học xấu thay vì chỉ chọn sperm chạy nhanh nhất.

Để tăng diện tích tiếp xúc, nhóm gắn các hạt vàng kích thước 68 nm lên bề mặt. Vàng ở đây không phải chất “tăng chất lượng sperm”; nó đóng vai trò tạo cấu trúc bề mặt và cung cấp thêm vị trí để gắn các phân tử chức năng. Nhóm sau đó thêm các rãnh microchannel sâu khoảng 45–50 micromet, rộng hơi trên 100 micromet và cách nhau khoảng 100 micromet để tăng tiếp xúc giữa sperm và bề mặt.

Progesterone là phần tạo cảm giác “trứng gọi sperm”

Nửa gần đầu ra của chip được phủ progesterone. Đây là phần dễ bị diễn giải thành “trứng gọi đúng sperm”, nhưng cơ chế chính xác hơn phức tạp hơn.

Ở người, progesterone được tiết với nồng độ cao bởi các tế bào cumulus bao quanh noãn sau rụng trứng. Các nghiên cứu trước đây cho thấy gradient progesterone có thể tạo tín hiệu chemotaxis cho sperm, đồng thời kích hoạt dòng calcium và các thay đổi liên quan đến capacitation, hyperactivation và chuẩn bị cho thụ tinh. Nói cách khác, sperm không chỉ phải bơi; chúng còn phản ứng với tín hiệu hóa học của môi trường gần noãn.

Trong chip NGS, nhóm đặt progesterone 10 µM ở vùng gần đầu ra. Progesterone giải phóng dần khỏi bề mặt trong khoảng 30 phút rồi tiến tới trạng thái plateau. Nhóm quan sát rằng việc thêm progesterone cải thiện hướng di chuyển và khả năng thu hồi sperm tiến triển, trong khi nồng độ quá cao có thể gây stress oxy hóa nên phải được tối ưu.

Điều quan trọng là progesterone không phải bộ cảm biến đọc DNA. Phần loại sperm có dấu hiệu bất thường chủ yếu đến từ anti-PS và cấu trúc bề mặt; progesterone đóng vai trò tín hiệu điều hướng và hỗ trợ trạng thái chức năng của sperm. Vì thế, nói chip “bắt chước cách trứng chọn đúng sperm” sẽ đi xa hơn dữ liệu.

Một giọt tinh dịch đi qua chip trong 45 phút

Ở cấu hình NGS hoàn chỉnh, nhóm đưa khoảng 60–100 µL tinh dịch đã hóa lỏng vào đầu vào. Kênh và khoang đầu ra chứa môi trường chuẩn bị sperm. Sau 45 phút ở 37°C và 5% CO2, sperm không bị giữ lại và đã di chuyển tới đầu ra được thu để phân tích.

Ở phiên bản microchannel cuối cùng, 100 µL mẫu được đưa vào và sperm thu sau 45 phút có progressive motility cao hơn các nhóm đối chứng. Tỷ lệ sperm Annexin V dương tính — dấu hiệu apoptosis sớm — là 3,9 ± 0,2%, so với 15,7 ± 4,6% ở swim-up trong so sánh của nhóm.

Con số gây chú ý nhất là DNA fragmentation 0,6 ± 0,5%. Abstract của paper tóm tắt kết quả là dưới 1% sperm thu được có DNA fragmentation. Điều đó gợi ý thiết bị đang chọn một quần thể khác với việc chỉ lấy sperm bơi nhanh.

Tuy nhiên, một phần các so sánh với phương pháp khác trong paper là so với số liệu đã công bố trong tài liệu, không phải tất cả đều là thử nghiệm head-to-head trên cùng một mẫu. Đây là khác biệt quan trọng khi đọc những tuyên bố rằng NGS “vượt” density-gradient centrifugation, HA binding, AV-MACS hay các chip thương mại khác.

Đây chưa phải bằng chứng IVF sẽ thành công hơn

Paper không thực hiện chu kỳ IVF hoàn chỉnh bằng sperm được chọn từ chip rồi theo dõi tới thai kỳ hoặc sinh sống. Nhóm chỉ đo các chỉ số trung gian như motility, Annexin V, PI và DNA fragmentation. Những chỉ số này có lý do sinh học để quan tâm, nhưng chúng không thay thế endpoint lâm sàng.

Quy mô mẫu cũng nhỏ. Các phép thử cuối của microchannel-NGS sử dụng ba mẫu tinh dịch; một số bước trước đó dùng ba đến tám mẫu, và người tham gia đều là nam giới 18–50 tuổi, sức khỏe tốt, đạt tiêu chuẩn normozoospermia của WHO. Vì vậy chưa rõ thiết bị hoạt động ra sao với những nhóm mà công nghệ này có thể hữu ích nhất, chẳng hạn oligozoospermia, asthenozoospermia hoặc tinh dịch có DNA fragmentation cao.

Nhóm tác giả thừa nhận bước tiếp theo phải là đánh giá fertilization rate, embryo development và clinical pregnancy outcome. Paper cũng cho biết việc đánh giá trong môi trường ART lâm sàng đang được triển khai.

Có thêm một chi tiết đáng lưu ý về thương mại hóa: năm tác giả của nghiên cứu giữ bằng sáng chế liên quan đến thiết bị. University of Adelaide trước đó cũng đã giới thiệu công nghệ dưới tên “Sperm Sorter for IVF”, mô tả nó ở trạng thái prototype và tìm đối tác thương mại trong lĩnh vực IVF hoặc thiết bị y tế. Điều này không làm mất giá trị dữ liệu, nhưng là bối cảnh cần có khi đánh giá những tuyên bố về hiệu suất.

Điều mới không phải là một chip biết “ai là sperm tốt nhất”

Microfluidic sperm sorting không phải ý tưởng mới. Nhiều thiết bị đã tận dụng rheotaxis, dòng chảy, hình học kênh hoặc khả năng di động để làm giàu sperm chất lượng cao. Điểm khác trong NGS là nhóm cố đưa nhiều lớp chọn lọc sinh học vào cùng một bề mặt: địa hình vi mô để hướng chuyển động, anti-PS để giữ lại sperm có marker bất lợi và progesterone để cung cấp tín hiệu hóa học gần giống môi trường quanh noãn.

Nếu các thử nghiệm lớn hơn cho thấy quần thể sperm này thực sự tạo ra nhiều phôi tốt hơn và cải thiện tỷ lệ mang thai hoặc sinh sống, thiết bị có thể trở thành một bước chuẩn bị sperm đơn giản hơn so với việc kết hợp nhiều kỹ thuật hiện nay. Nhưng đó vẫn là câu hỏi mở.

Ở giai đoạn hiện tại, giá trị rõ nhất của nghiên cứu là chỉ ra một giới hạn của việc chọn sperm bằng mắt và tốc độ: tế bào nhìn khỏe chưa chắc có DNA khỏe. Chiếc chip nhỏ này thử thêm những tín hiệu mà cơ thể vốn dùng trước khi sperm tới được noãn — nhưng liệu việc mô phỏng chúng trên kính có giúp một chu kỳ IVF kết thúc bằng một em bé khỏe mạnh thường xuyên hơn hay không vẫn cần thử nghiệm lâm sàng để trả lời.

Nguồn chính: Advanced Functional Materials; Flinders University Research; University of Adelaide – Sperm Sorter for IVF; và tổng quan về tín hiệu chemotaxis giữa sperm và noãn trên Human Reproduction Update.