Clinically Translatable Passive Microfluidic Device for Preparation of Human Sperm with Variable Baseline Concentrations

بالنسبة لملايين الأزواج حول العالم، تصطدم رحلة الأبوة والأمومة بعقبة عندما يكون عدد الحيوانات المنوية لدى الشريك الذكر منخفضاً أو عندما لا تتحرك الخلايا المنوية بشكل جيد بما يكفي للوصول إلى البويضة. في المختبر، اعتمد العلماء لفترة طويلة على طريقة تسمى "الطرد المركزي بالتدرج الكثافي" لتجهيز الحيوانات المنوية لعلاجات الخصوبة. تتضمن هذه العملية تدوير العينات بسرعات عالية لفصل الحيوانات المنوية الصحية والسباحة من البقية. ورغم فعاليتها، إلا أن هذا التدوير يولد إجهاداً فيزيائياً ويمكن أن يتلف المادة الوراثية الدقيقة داخل الخلايا، مما قد يقلل من فرص نجاح الحمل. ومع انخفاض أعداد الحيوانات المنوية عالمياً خلال العقود الأخيرة، بحث الباحثون عن طريقة أكثر رفقاً لاختيار أفضل الخلايا دون قسوة التدوير عالي السرعة.

لقد طور فريق من العلماء الآن نهجاً جديداً يعتمد على السلوك الطبيعي للحيوانات المنوية بدلاً من القوة الميكانيكية. فقد صمموا جهازاً بلاستيكياً شفافاً صغيراً يحتوي على مئات القنوات المتوازية الدقيقة. الفكرة بسيطة: الحيوانات المنوية الصحية والقوية ستسبح عبر هذه القنوات من تلقاء نفسها، بينما ستتخلف الخلايا الأضعف أو التالفة. ومع ذلك، واجهت هذه الطريقة عقبة كبيرة؛ فإذا بدأ عينة المريض بعدد قليل جداً من الحيوانات المنوية، فلن تتوفر ببساطة أعداد كافية من الخلايا لملء القنوات وجعل النظام يعمل. وقد حل الباحثون هذه المشكلة بإضافة خطوة واحدة لطيفة قبل دخول الحيوانات المنوية إلى الجهاز، مما يضمن معالجة العينات بفعالية حتى لو كانت أعدادها الأولية منخفضة. وتظهر أعمالهم أن هذا النظام السلبي (غير النشط) لا يحمي الحمض النووي للحيوانات المنوية فحسب، بل ينتج أيضاً سباحين بجودة أعلى من طرق التدوير التقليدية، خاصة لأولئك الذين لديهم أدنى الأعداد الأولية.

تبدأ قصة هذه التكنولوجيا الجديدة بجهاز مصنوع من بلاستيك شفاف ومتين يعرف باسم "بولي ميثيل ميثاكريلات". استخدم الباحثون الليزر لقطع 200 قناة صغيرة في المادة، حيث يبلغ طول كل قناة 20 ملم، وعرضها 200 ميكرومتر، وارتفاعها 130 ميكرومتر. ولوضع هذا المقياس في سياقه، فإن سمك شعرة الإنسان يبلغ حوالي 70 ميكرومتراً، مما يعني أن هذه القنوات واسعة بما يكفي للسماح للخلية المنوية بالمرور براحة ولكنها ضيقة بما يكفي لتوجيه مسارها. تم تصميم الجهاز بحيث يمكن للحيوانات المنوية الدخول من جانب واحد والسباحة نحو منطقة تجميع في الجانب الآخر. ولأن القنوات طويلة جداً، يتعين على الخلية المنوية قطع مسافة كبيرة للوصول إلى النهاية. وتعمل هذه المسافة كمرشح (فلتر)؛ حيث لا يستطيع الوصول إلى نهاية الرحلة سوى السباحين الأكثر حيوية وهدفاً. وقد أكدت المحاكاة الحاسوبية أن هذا الطول كان حاسماً، حيث أظهرت أنه كلما طالت مسافة السباحة، زادت قدرة الجهاز على اختيار الخلايا الأكثر كفاءة فقط.

ولاختبار ما إذا كان هذا المفهوم يعمل في العالم الحقيقي، جمع الفريق عينات سائل منوي من 44 رجلاً. وقسموا هذه العينات إلى مجموعتين بناءً على عدد الحيوانات المنوية الموجودة في البداية. امتلكت إحدى المجموعات عدداً قياسياً من الحيوانات المنوية، بينما امتلكت الأخرى عدداً أقل، يقل عن 40 مليون حيوان منوي لكل ملليلتر. وبالنسبة للعينات ذات الأعداد الأقل، قدم الباحثون خطوة تمهيدية بسيطة؛ حيث أخذوا كمية صغيرة من السائل وداروها بلطف بسرعة منخفضة لمدة عشر دقائق. لم تكن هذه الخطوة تفصل الحيوانات المنوية حسب الجودة، بل قامت ببساطة بتركيزها في حجم أصغر بحيث يمكن تحميل عدد كافٍ من الخلايا في الجهاز. وبمجرد التحميل، تُرك الجهاز لمدة ساعة ونصف، وخلال هذا الوقت، سبحت الحيوانات المنوية السليمة عبر الـ 200 قناة متوازية إلى غرفة تجميع، تاركة الخلايا الأضعف خلفها في منطقة البداية.

كانت نتائج هذه التجربة مذهلة. فعندما قارن الباحثون بين الحيوانات المنوية التي جُمعت من الجهاز البلاستيكي وتلك التي جُهزت باستخدام طريقة التدوير التقليدية، أنتج الجهاز باستمرار منتجاً فائق الجودة. ففي المجموعة ذات الأعداد الأولية الطبيعية، قفزت نسبة الحيوانات المنوية التي تتحرك بحركة أمامية قوية من حوالي 30 بالمائة في العينة الخام إلى أكثر من 81 بالمائة بعد مرورها عبر الجهاز. بينما نجحت طريقة التدوين التقليدية في رفع هذا الرقم إلى حوالي 60 بالمائة فقط. وكان التحسن أكثر دراماتيكية للمجموعة ذات الأعداد الأولية المنخفضة؛ حيث ارتفعت نسبة الحيوانات المنوية ذات الحركة الأمامية من حوالي 24 بالمائة إلى أكثر من 77 بالمائة، وهي زيادة فاقت بكثير ما حققته طريقة التدوير. يشير هذا إلى أن الجهاز مفيد بشكل خاص للرجال الذين لديهم أكبر قدر من الاستفادة من عملية اختيار الحيوانات المنوية الأفضل.

وعلاوة على الحركة، كانت جودة المادة الوراثية داخل الحيوانات المنوية أفضل أيضاً. فقد تحقق الباحثون من وجود أي ضرر في الحمض النووي (DNA)، وهو أمر بالغ الأهمية لتطور الأجنة بشكل صحي. وفي العينات ذات الأعداد الأولية المنخفضة، استعاد الجهاز حيوانات منوية بحمض نووي سليم بنسبة تقارب 97 بالمائة، مقارنة بنحو 91 بالمائة بالطريقة التقليدية. ويشير هذا إلى أن عملية الاختيار القائمة على السباحة اللطيفة تتجنب الإجهاد التأكسدي والصدمات الفيزيائية التي تحدث غالباً أثناء التدوير عالي السرعة. كما أدى الجهاز إلى تحسين شكل الحيوانات المنوية، وإن كان هذا التحسن أقل اعتماداً على العدد الأولي. والأهم من ذلك، أثبت الفريق أن هذه الطريقة الجديدة آمنة للاستخدام في علاجات الخصوبة؛ حيث استخدموا حيوانات منوية تم اختيارها بواسطة الجهاز لتخصيب البويضات في إجراء يسمى "حقن الحيوان المنوي داخل السيتوبلازم". وقد تطورت الأجنة الناتلة بشكل طبيعي وكانت لا تختلف عن تلك التي أُنتجت باستخدام حيوانات منوية جُهزت بالطرق التقليدية، مما يظهر أن سير العمل الجديد يتناسب بسلاسة مع الممارسات الطبية القائمة.

تسلط الدراسة الضوء على أن الحالة الأولية للعينة تلعب دوراً كبيراً. فقد وجد الباحثون أنه كلما انخفض التركيز الأولي للحيوانات المنوية، زاد التحسن النسبي في الجودة بعد استخدام الجهاز. وهذا اكتشاف مهم لأن هذا يعني أن التكنولوجيا هي الأكثر فعالية للمرضى الذين هم في أمس الحاجة إليها. فبينما تعمل طريقة التدوير التقليدية بشكل جيد للعينات ذات الأعداد العالية من الحيوانات المنوية، فإنها تواجه صعوبة في توفير نفس المستوى من الإثراء للعينات ذات الأعداد المنخفضة. ومن خلال الجمع بين خطوة تركيز بسيطة وجهاز الموائع الدقيقة السلبي، أنشأ الباحثون سير عمل يعمل عبر نطاق واسع من احتياجات المرضى دون الحاجة إلى مضخات معقدة أو مصادر طاقة خارجية. والجهاز نفسه قابل للاستخدام لمرة واحدة، وسهل التصنيع، ولا يتطلب معدات متخصصة لتشغيله، مما يجعله أداة عملية للعيادات حول العالم.

لا يدعي هذا العمل أنه قد حل جميع تحديات العقم عند الرجال، ولا يشير إلى أن الجهاز هو علاج سحري. لقد أجريت الدراسة بعدد محدود من العينات واختبار أولي لإثبات المفهوم لتطور الأجنة، لذا ستكون هناك حاجة إلى دراسات أكبر لتأكيد كيفية ترجمة هذه التحسينات إلى معدلات حمل فعلية. ومع ذلك، تظهر البيانات بوضوح أن النهج السلبي اللطيف يمكن أن يتفوق على المعيار الحالي للرعاية في اختيار حيوانات منوية عالية الجودة. فمن خلال ترك الحيوانات المنوية تقوم بالعمل بنفسها، بدلاً من إجبارها على المرور عبر جهاز الطرد المركزي، تقدم هذه الطة الجديدة مساراً أكثر أماناً وفعالية لتجهيز الخلايا التي تبدأ رحلة الحياة. إنها تمثل تحولاً نحو التقنيات التي تعمل مع البيولوجيا البشرية بدلاً من العمل ضدها، مما يوفر الأمل لمزيد من الأزواج الذين يواجهون الطريق الصعب نحو الأبوة والأمومة.