Микрогравитация сбивает сперматозоид с пути

Для планирования длительных космических миссий или даже поселений на других планетах необходимо знать, как внеземные условия влияют на репродукцию. Наблюдение за людьми, побывавшими на МКС, показало, что микрогравитация оказывает негативное воздействие на ряд ключевых физиологических систем, включая уменьшение объема циркулирующей крови, усиление мышечной атрофии, потерю 1–2% костной массы ежемесячно, усиление атаксии, нарушений осанки, повышение утомляемости, а также подавление дифференцировки и поляризации иммунных клеток.

Что касается репродуктивной системы, микрогравитация нарушает дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток, подавляет децидуализацию эндометрия человека и влияет на уровень мужских половых гормонов и соотношение полов потомства. Но влияние внеземных условий на гаметы и ранний эмбриогенез изучено плохо, были получены противоречивые результаты. Возможно, это объясняется еще и тем, что сложно отделить влияние микрогравитации от других факторов, таких как радиация и условия культивирования. В новой работе исследователи из Австралии использовали 3D-клиностат, чтобы симулировать микрогравитацию и изучить поведение сперматозоидов человека, мыши и свиньи в этих условиях.

Авторы работы постарались участь все условия, чтобы выделить именно влияние микрогравитации. Так, они отмывали сперматозоиды человека от семенной жидкости и ресуспендировали их в среде, чтобы на результаты не повлияла разница в вязкости. Вращение 3D-клиностата не перемешивало образец, так что сперматозоидам необходимо было активно двигаться, чтобы проплыть через канал. В контрольных экспериментах было показано, что культивирование сперматозоидов, ооцитов и эмбрионов в каналах 3D-клиностата не мешало оплодотворению и раннему развитию эмбриона.

Сперматозоиды инкубировали в стандартной среде или среде, имитирующей женские внутренние половые органы, в условиях нормальной гравитации или имитации микрогравитации при 5% O₂, 6% CO₂ и 37 °C. В обеих средах в условиях имитации микрогравитации меньшее число сперматозоидов преодолевало канал. При этом общая подвижность и другие кинетические параметры гамет не снижались.

Авторы выяснили, можно ли помочь сператозоидам преодолеть канал с помощью прогестерона. Оказалось, что высокие дозы (100 µM) прогестерона действительно повышали количество клеток, наблюдаемых на другой стороне канала, до нормы, не влияя при этом на подвижность.

Далее авторы оценили способность сперматозоидов связываться с гиалуронаном, молекулой, присутствующей во внеклеточном матриксе ооцит-кумулюсного комплекса (ОКК). Этот параметр напрямую коррелирует с качеством сперматозоида. В условиях имитации микрогравитации сперматозоиды, прошедшие канал, лучше связывали гиалуронан, чем в нормальных условиях. Вероятно, в условиях имитации микрогравитации канал преодолевают только «лучшие» сперматозоиды. Отбор самых подвижных сперматозоидов до имитации микрогравитации не повышал связывание с гиалуронаном еще сильнее.

Далее опыты проводили на мышиных клетках. Их сперматозоиды вели себя схожим образом через 2 часа инкубации, хотя через 4 часа разница в числе преодолевших канал клеток исчезала. Кинетические параметры сперматозоидов не отличались в нормальных условиях и при симуляции микрогравитации через 2 часа культивирования, но через 4 часа снижалась подвижность с поступательным движением.

Сперматозоиды помещали с одной стороны канала, а ОКК — с другой. Через 4 часа ОКК помещали в инкубатор с нормальной гравитацией на 96 часов. В условиях имитации микрогравитации меньше ооцитов было оплодотворено, доля успешных оплодотворений снизилась на 30%, если судить по двухклеточной стадии через 24 часа, но через 96 часов разницы уже не было. В бластоцистах, полученных после оплодотворения в условиях имитации микрогравитации, было больше клеток эпибласта, что обычно считается признаком большего потенциала к развитию.

Увеличение времени инкубации сперматозоидов и ОКК в условиях имитации микрогравитации до 24 часов восстановило показатели оплодотворения, но негативно сказалось на качестве бластоцист.

Последнюю треть опытов авторы проводили на клетках свиньи. Некоторые опыты на сперматозоидах свиньи провести не удалось, так как они агглютинировали в канале при нормальной гравитации. Симуляция микрогравитации не влияла на кинетические параметры сперматозоидов.

Сперматозоиды инкубировали с ОКК в условиях имитации микрогравитации в течение 6 часов, затем ооциты переносили в стандартные условия на 144 часа. Как и у мыши, число успешных оплодотворений снижалось, если оценивать этот параметр на двухклеточной стадии через 56 часов. В отличие от мыши, бластоцист через 144 часа было меньше. Но клеток эпибласта тоже было больше.

Полученные данные указывают на то, что сперматозоиды, подвергшиеся воздействию имитации микрогравитации, с меньшей вероятностью достигают яйцеклетки и оплодотворяют ее. Однако те сперматозоиды, которые все же оплодотворяют яйцеклетку, могут обладать характеристиками, связанными с более высокой функциональной компетентностью. Об этом свидетельствует формирование бластоцист с увеличенным количеством клеток эпибласта.

Атрофия костей в условиях микрогравитации связана с недостатком нагрузки