Spermacellen veranderen hun zwempatronen om eicel te lokaliseren
Spermacellen veranderen hun zwempatronen om naar de eicel te geraken, zo blijkt uit een nieuwe studie. Als ze in de buurt van het eitje komen, schakelen ze over van een symmetrische beweging die hen in een rechte lijn voortbeweegt, naar een asymmetrische die maakt dat ze meer in rondjes zwemmen. Die gedragsverandering, die hyperactivering wordt genoemd, laat de spermacel toe het gebied af te zoeken, wat de kans vergroot dat ze de eicel vindt. Volgens de onderzoekers kan de ontdekking gevolgen hebben voor in vitro fertilisatie bij mensen.
De studie van wetenschappers van de Cornell University in de staat New York gebeurde in vitro - in glas, in het laboratorium dus - met sperma van stieren.
Om de spermacellen te kunnen observeren met een microscoop en een hogesnelheidscamera, ontwierpen de onderzoekers fluïde microchips met kanaaltjes van een micrometer - een miljoenste van een meter.
De studie maakt duidelijk hoe miljoenen spermacellen zich door het voortplantingskanaal van vrouwelijke zoogdieren bewegen, waarbij uiteindelijk slechts een handjevol zaadcellen de bevruchtingsplaats bereiken.
De spermacellen blijven dicht bij de zijwanden en zwemmen in een rechte lijn tegen een kleine hoeveelheid vloeistof in, die van het bovenste deel van het voortplantigskanaal naar het lagere deel vloeit.
Eens de zaadcellen echter de eileiders binnengaan en zich naar het eitje toe bewegen, veroorzaakt een toevloed van calciumionen in hun zweepstaartje de hyperactivering van de spermacellen waardoor ze in rondjes gaan zwemmen. (Wat de toevloed van calcium in het zweepstaartje veroorzaakt, is nog niet duidelijk, daarvoor is nog meer onderzoek nodig.)
Een video van de Cornell University over het onderzoek (Engels).
Kunstmatige bevruchting
De microchips lieten de onderzoekers toe het milieu te manipuleren waarin de spermacellen zich bewogen.
Het team nam met de hogesnelheidcamera de spermacellen op terwijl ze langs de wanden zwommen en testte verschillende verbindingen, waaronder ook cafeïne, die een toename veroorzaken van calciumionen in het cytoplasma van een cel - de vloeistof en andere bestanddelen in een cel buiten de celkern.
Vervolgens legden de onderzoekers de gedragsverandering in aanwezigheid van calcium vast, de overgang van symmetrisch, rechtdoor zwemmen naar hypergeactiveerd, circulair zwemmen, wat betekende dat de spermacellen niet meer dicht bij de wanden bleven. Zonder die verschuiving zouden de spermacellen in een doodlopend stuk kunnen belanden waar ze vast zouden komen te zitten.
"Er is aangetoond dat dit zwemstadium vereist is voor de bevruchting", zei professor Alireza Abbaspourrad, de senior auteur van de studie. Hoewel de observaties in vitro in het laboratorium gebeurd zijn, geven ze een idee van wat er in vivo - in het echte leven - zou kunnen gebeuren, zo zei hij.
"We denken dat hyperactivering het zwemgedrag regelt van de spermacellen terwijl ze zich een weg banen naar de bevruchtingssite en afhankelijk is van de functionele regio in het voortplantingskanaal, waarbij de spermacellen reageren op de biochemische factoren die aanwezig zijn in de omgeving", zei Meisam Zaferani, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerd student in het lab van Abbaspourrad.
De studie geeft niet alleen een antwoord op de vraag hoe de zaadcellen hun weg vinden naar de eicel door de mechanismen die erbij betrokken zijn bloot te leggen, maar de bevindingen hebben ook gevolgen voor in vitro fertilisatie - kustmatige bevruchting - bij de mens en voor de voortplanting van melkkoeien. Ze bieden ook nieuwe informatie voor ingenieurs om zwemmende microrobotjes te ontwerpen, zeggen de onderzoekers.
"Nu we begrijpen wat de navigatiemechanismen en de biofysische en biochemische signalen bepaalt die een zaadcel bij het eitje doen geraken, kunnen we misschien die signalen gebruiken om koppels met vruchtbaarheidsproblemen te behandelen en de beste strategie uit te kiezen voor in vitro fertilisatie", zei Abbaspourrad.
De studie van Abbaspourrad, Zaferani en Susan Suarez is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van de Cornell University.
