Сперматозоїди-боти: вчені розробили крихітний двигун, який допомагає сперматозоїдам плавати

Робота сперматозоїда проста: рух до яйцеклітини та введення генетичного матеріалу. Структура сперматозоїдів ссавців відображає ці основні функції - складаються вони , головним чином, з ДНК-вміщуючої головки та хвоста, який швидко рухається.

Нещодавно команда з Інституту інтегративних нанонаук (IFW) Dresden, Німеччина, опублікувала своє дослідження в журналі Nano Letters. Вони вирішили використати цю структуру, плюс природну схильність цих клітин до подорожі по жіночому репродуктивному тракту, для незвичайного проекту.

Ми думали, чому б не використовувати ці сперматозоїди як носії ліків ?"- каже Маріана Медіна-Санчес, керівник групи мікро- та нанобіомедичної інженерії в IFW Dresden.

Ідея менш дивна, ніж може здатися. Врешті-решт, «у спільноті дослідників, що працюють над мікромоторами та мікрополімерами, були й інші, які використовують стовбурові клітини або бактерії для перенесення ліків". За останнє десятиліття вчені та інженери зробили значні кроки до реалізації бачення мікро- та нанорозмірних роботів, які забезпечують транспорт терапевтичних засобів або допомагають діагностувати хвороби людського організму.

Зараз дослідники використовують як штучні, так і природні системи для створення мікромоторів для біомедичних цілей. До першого належать такі, що живляться від хімічних речовин, ультразвуку та магнітних полів, а до останнього належать самохідні двигуни, такі як джгутики на бактеріях або сперматозоїди.

Дехто навіть поєднував природний та штучний підходи - наприклад, одна з найперших гібридних систем була створена в 2000 році групою дослідників з Корнельського університету, які прив’язали АТФ-азу, фермент, який обертається в міру каталізації АТФ, до крихітного металевого гвинта.

Дослідники з IFW представили власну систему із використанням сперматозоїдів . У статті команда запропонувала, щоб сперматозоїди в парі з крихітними моторизованими джгутами, які давали б дослідникам контроль над тим, де плавають клітини, могла бути корисною для ряду терапевтичних застосувань, включаючи допоміжне запліднення.

Кілька років по тому один із співавторів дослідження Олівер Шмідт разом із додатковими співробітниками IFW успішно використав систему - дистанційно керовану магнітними полями - для підведення нерухомих сперматозоїдів до ооцитів у штучному рідинному каналі, що імітував деякі фізіологічні умови в жіночих репродуктивних шляхах.

Ідея полягала в тому, щоб протистояти одній із проблем чоловічого безпліддя, а саме низькій кількості сперми", - каже Медіна-Санчес. "Це мало допомогти цим кільком сперматозоїдам дістатись до ооцита, з'єднавши їх магнітним джгутом.

Ця робота підготувала другий експеримент, в якому Медіна-Санчес та її колеги вирішили протестувати свої штучно моторизовані сперматозоїди як системи доставки ліків від раку шийки матки та інших гінекологічних захворювань.

На додаток до того, що клітини є прекрасними плавцями, вони ще й мають обмежений термін життя і не розмножуються та не утворюють колонії, як бактерії. А також мають здатність зливатися з соматичними клітинами, що є великим плюсом, оскільки сперматозоїд може зливатися з раковими клітинами і доставляти препарат всередину.

Спочатку команда перевірила здатність сперми боротися з раковими клітинами, завантажуючи голівки сперми великої рогатої худоби доксорубіцином гідрохлоридом, хіміотерапевтичним препаратом, і поміщаючи їх у посуд із раковими клітинами шийки матки, культивованими в сфероїди, які слугували 3-D моделями пухлини. Як виявили вони, сперматозоїди, завантажені ліками, були ефективними бивцями: після 72 годин лікування вони знищили майже 90 відсотків пухлинних клітин.

Потім, щоб перевірити, чи можна сперматозоїди великої рогатої худоби спрямувати до цілі, команда з'єднала поодинокі клітини з мікроструктурами тетрапод - покритими залізом оболонками з трубчастими тілами та чотирма руками, здатними управляти магнітним полем.

Сперматозоїд може заплисти в тетраподу і рухати її вперед", - говорить Хайфен Сю , докторант з IFW. "Покриваючи магнітний шар на тетраподі, ми можемо направити мікромотор до цілі.

Медіна-Санчес та її колеги перевірили здатність біонічної сперми плавати по мікрофлюїдних каналах до ракового сфероїда. Хоча тетраподи сповільнили швидкість плавання сперми приблизно на 43 відсотки, дослідники змогли успішно направити гібриди до ракових клітин за допомогою обертових магнітів, розташованих приблизно на 10 сантиметрів від зразка. Коли мікромотори досягли сфероїда, механічний тригер звільнив сперму від тетрапод, що дозволило їм злитися з раковими клітинами і доставити препарат - і приблизно через 8 годин ці клітини зменшились приблизно на 40 відсотків.

"Але хоча сперматозоїди пристосовані плавати в жіночих репродуктивних шляхах, вони не обов'язково можуть бути оптимальним засобом доставки до пухлин", -каже Сільвен Мартел , дослідник нанороботики з Polytechnique Montréal, Канада.

Іншим важливим розглядом у майбутньому при використанні сперматозоїдів як засобів доставки буде те, як уникнути випадкового запліднення яйцеклітини в процесі лікування пацієнта, особливо тому, що, за словами Медіни-Санчес, будуть використовуватися людські сперматозоїди для лікування різних видів рак у людей.

"Ми думали над цим питанням", - каже вона. "Ми вважаємо, що такі процедури можна робити, наприклад, коли жінка не овулює".

Ще потрібно пройти довгий шлях, перш ніж ці гібридні мікромотори, керовані сперматозоїдами, будуть протестовані на людях - на сьогодні система досліджувалася лише in vitro. До того ж, мета роботи над спермоботами - не обов'язково вдосконалення самої нанотехнології, а "вирішення конкретної проблеми, а саме безпліддя чоловіків, які страждають астенозооспермією (нерухомою спермою)".