我們過去在實驗室中開發了一種熱性微流道晶片,並發現精子的活動力與環境溫
度呈高度正相關。基於這個發現,我們結合精子的熱性趨向和上泳法,開發了一
種垂直式溫差高通量精蟲分選晶片。精子的熱性趨向是哺乳動物中精子引導的一
種方式,它是一個長程機制,精子會根據溫度梯度主動改變游動方向,從低溫游
向高溫。在女性排卵期間,體內核心溫度較高,在輸卵管內存在溫度差,精子能
感知到這個溫度差,並朝著卵子的位置游動。獲能精子是指具有熱觸覺響應能力
的精子,獲能是哺乳動物精子成熟的最後一個步驟,只有經過這個過程的精子才
能與卵母細胞受精。獲能精子能夠感知並響應低於0.014°C/mm的溫度梯度以及
0.0006°C的溫差。
我們的研究採用了一種與以往不同的精蟲分選原理,結合了精子的「上游特性」
和「趨熱性」進行分選。這種分選原理利用了精子向上游動的特性,使高品質和
活躍的精子能夠通過自身的游泳能力向上游動。此外,根據過去的文獻,精子不
僅僅只會向上游動,而是會隨機游動到各個方向,這也是目前上游法回收率不佳
的主要原因。為了解決過去文獻所面臨的困難,我們在晶片上搭建了一個恆溫加
熱系統,使得晶片能夠從上到下產生穩定且微小的溫度差。利用精子會向高溫游
動的特性,使得在晶片下方的活躍精子能夠被溫度差引導,從而向上游動並被回
收。此外,為了防止分選後的精子與原始精液混合,我們使用多孔洞聚碳酸酯膜
(Polycarbonate, PCTE)在上層(健康精子)和下層(精子原液)之間進行區隔,
薄膜上的孔洞可以讓具有活動力的精子通過。
我們對經過「垂直式溫差高通量精蟲分選晶片」處理的精液樣本進行分析,使用I
mageJ中的OpenCASA計算精子的運動參數、活動力和活躍精子的回收率,並且
成功分選出數量達百萬級別的優質精子。這些分選出的精子符合世界衛生組織關
於人工輔助生殖的優良精子標準。
與以往的微流體晶片相比,我們的技術省去了繁瑣的進樣前處理步驟和冗長的分
選時間,對精子的損傷較小,通量較高,回收的精子品質也較好,所有指標都是
目前現有技術中最高的。我們開發的這項技術適用於無精子症、少精子症和弱精
子症患者的精蟲分選。預計這項技術的應用包括使用微流體晶片進行精子游動能
力的分選,分選後的精子可用於不孕症夫婦進行體外人工受精(IVF)或卵細胞質
內精子注射(ICSI)治療。