細胞間相互作用によるヒト精子の自己組織化とマルチライン輸送

Self-organization and multi-line transport of human spermatozoa in rectangular microchannels due to cell-cell interactions.

• A Bukatin
• P Denissenko
• V Kantsler

抄録

精子の卵子への移動は、哺乳類の受精と生殖における最も重要な問題の一つである。しかし、不妊治療路の複雑な流体的、化学的、地形的環境下での精子の移動については、ほとんどわかっていません。本研究では、マイクロフルイディクス技術を用いて、異なる濃度の環境下での精子の遊泳行動に及ぼす細胞-細胞間相互作用の影響を調べた。その結果、細胞濃度が十分に高い場合には、境界を追従する細胞間の相互作用が、細胞の泳動方向を優先した領域の形成につながることを示した。矩形断面のマイクロチャネルでは、これが最大40％の細胞分布の非対称性を持つ「4レーン」の遊泳パターンの形成につながる。これは、微小流路の角での細胞同士の衝突と、形態的に異なる精子の存在が組み合わさることによって引き起こされると考えられます。これらの知見は、哺乳類生殖管の高度に折り畳まれた環境における細胞間相互作用が精子の遊泳行動に重要であり、運動性の高い細胞を選択する役割を果たしていることを示唆している。

The journey of sperm navigation towards ovum is one of the most important questions in mammalian fertilisation and reproduction. However, we know very little about spermatozoa propagation in a complex fluidic, chemical and topographic environment of a fertility tract. Using microfluidics techniques, we investigate the influence of cell-cell interactions on spermatozoa swimming behavior in constrained environment at different concentrations. Our study shows that at high enough cell concentration the interaction between boundary-following cells leads to formation of areas with preferential direction of cell swimming. In the microchannel of a rectangular cross-section, this leads to formation of a "four-lane" swimming pattern with the asymmetry of the cell distribution of up to 40%. We propose that this is caused by the combination of cell-cell collisions in the corners of the microchannel and the existence of morphologically different spermatozoa: slightly asymmetric cells with trajectories curved left and the symmetric ones, with trajectories curved right. Our findings suggest that cell-cell interactions in highly folded environment of mammalian reproductive tract are important for spermatozoa swimming behavior and play role in selection of highly motile cells.