Microfluidica si dispozitive lab-on-chip, metode revolutionare pentru tratarea infertilitatii

15% dintre cuplurile care incearca sa aiba un bebe nu reusesc sa obtina o sarcina. Succesul tratamentelor pentru infertilitate depinde de calitatea spermei pana la urma. Metodele actuale de selectare a spermatozoizilor si ovulelor pentru fecundarea in laborator si obtinerea de embrioni umani viabili pentru implantare intrauterina implica prea multi pasi, un proces anevoios de screening si migrare prin medii complexe. De aici si erorile umane frecvente si anomaliile la nivel de ADN care apar tot mai des. Din fericire exista doua metode moderne pentru infertilitate, microfluidica si lab-on-chip care promit rezultate excelente si mai rapide.

In 4 din 10 cazuri de infertilitate barbatul este cel care are probleme cu materialul genetic reproducator. Chiar daca spermatozoizii sai ajung sa fie depozitati cat mai aproape de colul uterin, cervix si se intalnesc intr-un final cu ovul sau cu ovulele femeii, acestia nu reusesc sa asigure fecundarea si aparitia unui embrion uman viabil.

Infertilitatea masculina se poate datora infectiilor, problemelor cu hormonii, stilului de viata, anumitor probleme medicale, mediului. Deja dup 35 de ani fertilitatea barbatilor se reduce dramatic, iar dupa 40 riscul de anomalii genetice transmise copilului este mare. Pe langa toate acestea, studiile realizate de-a lungul timpului au demonstrat faptul ca numarul total de spermatozoizi viabil din sperma ejaculata de barbat si concentratia spermatica au scazut cu pana la 50%-60% din 1973 pana in 2011 si posibil sa scada in continuare.

Ca sa fii sigura ca vei ramane gravida trebuie sa te gandesti nu doar la corpul tau si la sistemul reproducator feminin, la ovare si ovule, la orgasm poate, care ajuta si el, ci si la ce face partenerul tau si cum poate fi ajutat sa iti ofere spermatozoizi viabili pentru aparitia unei sarcini sanatoase si usor de dus pana la finele celor noua luni de sarcina.

Medicii si oamenii de stiinta continua sa testeze si sa descopere modalitati prin care ar putea sa ajute femeia sa ramana gravida mai rapid si mai eficient atunci cand lucrurile nu functioneaza pe cale naturala, in urma unui contact sexual neprotejat in perioada de fertilitate maxima, in jurul ovulatiei lunare. E nevoie de o selectie mai eficienta a spermatozoizilor cu motilitate buna, ca sa ajunga la ovule, cu o calitate excelenta a materialului genetic.

O solutie exista de ceva vreme: microfluidica. Ea ar putea imbunatati selectarea spermatozoizilor pentru fertilizari in vitro. In momentul de fata, selectarea spermatozoizilor se face in functie de cat de bine arata si cum se misca cand sunt vazuti la un microscop special. Microfluidica e un domeniu multidisciplinar ce implica studierea comportamentului celular, control precis, manevrarea fluidelor care sunt geometric constrase la o scara foarte mica pe un cip microfluidic cu niste canale de mici dimensiuni.

Spermatozoizii circula si ei pe niste mici canale de la cervix la uter, exista o mucoasa, si doar cei mai puternici si mai buni la „inotat” ajung aproape de ovul. Tehnologia microfluidica poate sa mimeze fix acest mediu pe care il regasim in corpul femeii, in sistemul reproducator si asa selectezi de la inceput cei mai buni spermatozoizi pentru fertilizari in laborator si obtinere de embrioni umani viabili.

Selectarea spermatozoizilor cu aceasta tehnologie mai inseamna alegerea celor cu motilitate foarte buna, mai multi spermatozoizi pot fi alesi intr-o singura sesiune. ADN-ul lor nu e afectat aproape deloc, nu mai apar situatii in care ai spermatozoizi, dar din cauza anomaliilor de la nivel de ADN nu poti obtine embrioni in laborator care sa ofere o sarcina sanatoasa si sa se poata implanta fara probleme odata ce sunt transferati in corpul femeii.

Concentratia de spermatozoizi disponibili pentru ovulele de fecundat poate fi controlata usor prin controlul cipurilor microfluidice. Cipurile costa destul de mult, se mai fac teste, dar pe viitor am putea avea mai multe sarcini obtinute direct cu aceasta metoda si cu tehnologia din spatele sau.

Microfluidica si cipurile implicate pot automatiza eliminarea erorilor umane din procesul manual de selectare si de analiza a spermatozoizilor. Se pot selecta spermatozoizii individual, se pot analiza pe rand. Daca pacientul are un numar redus de spermatozoizi in sperma ejaculata dispozitivele microfluidice pot sa ajute la selectarea celui mai bun si mai rapid candidat pentru fertilizarea ovulului.

Cipurile microfluidice vor permite si testarea acasa pentru pacientii care au probleme cu sperma si spermatozoizii. Sensibilitatea si acuratetea alegerii si testarii spermatozoizilor sunt foarte mari, deci rata de succes e garantata.

In momentul de fata discutam despre cipuri microfluidice pentru selectarea spermatozoizilor pasive sau active. Daca dispozitivul e pasiv se foloseste motilitatea spermatica in procedura de selectare, microcanalele sunt gandite in asa fel incat doar spermatozoizii cu motilitate mare sa poata inota pe o parte a canalului. Unele tipuri de canale au si filtre din policarbonat ca sa lase doar spermatozoizii cei mai puternici si cei mai buni inotatori sa fie selectati rapid.

In varianta activa a selectari spermatozoizilor e nevoie de o sursa externa pentru sortarea spermatozoizilor viabili. Chemotaxia ar fi o varianta, cu niste substante chimice care sa „atraga” spermatozoizii, reotaxia e de luat in seama, se folosesc lichide pentru ca spermatozoizii stiu sa „inoate” impotriva „curentului”, la fel si termotaxia, unde se controleaza temperatura. Sa amintim si electroforeza indusa de lumina, unde se folosesc niste pensete optice speciale ca sa separi spermatozoizii viabili de cei care nu te pot ajuta la fecundarea ovulului. Nu se foloseste centrifuga in cazul celor doua metode de selectare a spermatozoizilor.

Pe langa microfluidica mai exista o solutie foarte buna pentru a trata infertilitatea masculina si a ajuta femeile sa ramana gravide prin tehnici moderne de fertilizare ovulara in laborator. Discutam despre LOC sau lab-on-a-chip, un dispozitiv ce intregreaza una sau mai multe functii pe un singur circuit, cip de cativa milimetri pentru un screening cu o precizie foarte mare. Cu un volum redus de fluide se pot obtine rezultate excelente. Acest dispozitiv e un subset al sistemelor microelectromecanice, MEMS, se poate utiliza si microfluidica, fizica, manevrarea probelor si studierea unor cantitati foarte, foarte mici de fluide.

Conceptul nu e nou, a fost introdus acum 20 de ani si a fost privit ca un instrument util de diagnosticare si de analiza. Viteza de testare, diagnosticare, de lucru este foare mare, costurile sunt reduse, sensibilitatea si acuratetea sunt foarte mari si ele.

In spatele tehnologiei lab-on-chip se afla microfluidica, despre care am discutat anterior. LOC nu e altceva decat o platforma microfluidica care integreaza diverse operatiuni pe care le vezi in laboratoare, analize, sinteze, secventieri ADN. Dispozitivele LOC nu sunt doar o colectie de microcanale, sistemele complete de diagnosticare LOC au nevoie de pompe, electrozi, valve, campuri electrice, electronice ca sa functioneze corect.

LOC se poate aplica in biologia moleculara, analiza moleculara, secventierea ADN-ului, detectarea rapida de bacterii si de virusuri, identificarea biomarkerilor. Tehnologia CRISPR/Cas a fost integrata si ea in dispozitivele LOC. Dispozitive electrinice microfluidice combinate cu CRISPR/Cas permit detectarea cu acuratete foarte mare pentru orice tip de boli infectioase.

Foarte interesant putem sa folosim LOC si in proteomica, analiza proteinelor va fi rapida si se va face cu un singur cip, tot procesul e mult mai rapid asa, cristalizarea proteinelor e si ea mai eficienta, dar si in biologie celulara, in chimie. Analizele se fac simultan mereu, foarte rapid, se folosesc usor astfel de dispozitive si cipuri LOC, mostrele sunt infime, rezultatele se controleaza mai usor si sensibilitatea e mare.

Legat de infertilitatea umana, tehnologia LOC poate fi folosita fara probleme pentru selectarea spermatozoizilor de calitate, apti sa fecundeze ovulele. Se studiaza comportamentul natural al celulelor reproducatoare masculine, cu ajutorul reotaxei (raspuns la flux), termotaxei (raspuns la gradient termic) si chemotaxei (raspuns la stimuli chimici), riscul de deteriorare fiind unul scazut.

Cu sisteme compacte si eficiente se va analiza concentratia, mobilitatea si traiectoriile spermatozoizilor, analiza are loc in 10 secunde pe un camp larg (~24 mm²). Fluxul laminar si volumele microscopice din dispozitivele LOC mimează conditiile in vivo, deci ovulul si spermatozoizii raman intacti. Combinarea microfluidicii cu biofotonica permite analiza metabolitilor sau separarea optoelectrica a spermatozoizilor fara afectarea viabilitatii lor.

Cu niste tehnici avansate, holografia, de exemplu, se ofera imagini 3D ale celulelor reproducatoare pentru evaluari morfologice. Concentratiile mai reduse de spermatozoizi din mostrele analizate reduc dependenta de ICSI, injectie intracitoplasmica. Daca mai adaugam si sistemele automate de analiza vom avea si monitorizare in timp real pentru dezvoltarea embrionara, optimizandu-se si selectia embrionilor pentru transfer in uterul femeii.