Neplodnost postihuje přibližně jeden ze šesti párů v reprodukčním věku. Mužské faktory jsou příčinou až v 50 procentech případů. Příčiny mužské neplodnosti jsou komplexní, zahrnují genetické abnormality, anatomické defekty, hormonální poruchy, oxidační stres a užívání psychoaktivních látek. Až 90 procent mužských problémů však nakonec souvisí s nízkým počtem spermií nebo jejich špatnou kvalitou. Vyšetření spermií je tedy nejčastěji používaným a nejúčinnějším laboratorním testem pro diagnostiku mužské neplodnosti. Doporučené referenční hodnoty hlavních parametrů spermatu se v každém novém vydání příručky WHO pro analýzu lidského spermatu snižují. Retrospektivní studie navíc potvrzují dramatický pokles kvality lidského spermatu v posledních desetiletích, a to v důsledku vlivů životního prostředí a nezdravého životního stylu.
Řešení mužské neplodnosti nabízejí tradiční technologie asistované reprodukce, jako jsou in vitro fertilizace (IVF) a intracytoplazmatická injekce spermie (ICSI). IVF se používá u pacientů s oligospermií (nízký počet spermií). U pacientů s asthenospermií (snížená pohyblivost) a nízkou pohyblivostí spermií je účinná ICSI, při které se jedna spermie injekčně vpraví přímo do vajíčka. U azoospermie, kdy nejsou ve spermatu detekovatelné zralé spermie, se používají chirurgické metody, jako je extrakce spermií z nadvarlete nebo varlete. V případech neobstrukční azoospermie nebo rakoviny varlat je možné využít dárcovské spermie ze spermabanky.
Přestože metody asistované reprodukce pomohly milionům narozených dětí, značná část cyklů stále selhává. Kromě toho jsou procedury asistované reprodukce obvykle časově náročné a drahé. Proto je nadále nezbytné vyvíjet nové technologie, které zvýší úspěšnost, sníží náklady a zkrátí délku léčebného cyklu.
Možnosti využití spermbotů se ubírají dvěma hlavními směry: léčba neplodnosti a podávání léků. Klinické využití těchto nanorobotů v praxi však zaostává, zejména v oblasti asistované reprodukce. Ke zdokonalení konstrukce spermbotů a urychlení jejich zavedení do praxe je nezbytný multidisciplinární přístup a spolupráce.
Co jsou spermboti? Definice, klasifikace a design
Strukturu dospělé savčí spermie lze rozdělit do tří odlišných částí: hlavička, střední část a bičík. Oblast hlavičky obsahuje haploidní chromozomy, tedy otcovský dědičný materiál pro vytvoření zygoty. Střední část (krček) je tvořena těsným obalem mitochondriální pochvy a produkuje energii pro pohyb spermie. Bičík (ocas neboli
flagellum) je specializovaná forma řasinky, která je základní složkou pro hnací sílu pohybu spermie (obr. 1).
„Spermbot“ je definován jako biohybridní mikrorobot poháněný spermatickou buňkou. Myšlenka spermbotů se objevila v roce 2013, kdy byl vyvinut první biohybridní mikrorobot kombinující pohyblivou spermii s magnetickou mikrotrubičkou, kterou bylo možné dálkově ovládat externím magnetickým polem.
Obr. 1 Struktura zralé spermie
Hybridní design spermbota spočívá v kombinaci biologické spermie se specifickými nano-dekoracemi. Dosud bylo vyvinuto pět základních typů nanokomponent pro výrobu spermbotů (obr. 2):
- Mikrotrubička: kuželovitá mikrotrubička vyrobená navinutím funkčních nanomembrán na fotorezist, schopná zachytit hlavu spermie do své dutiny.
- Mikrošroubovice: polymery ve tvaru mikrošroubovice lze vyrobit přímou laserovou 3D litografií a připojit ke krčku nebo bičíku spermie.
- Tetrapodní mikrotrubička: speciálně navržený tetrapod (se čtyřmi pružnými obloukovitými rameny v mikrotrubičce) lze přímo vytisknout pomocí dvoufotonové 3D nanolitografie a připojit k hlavě spermie.
Obr. 2 Návrh konstrukce spermbotů na bázi spermií
Kromě těchto tří zmíněných druhů nanorobotů typu „jeden na jednoho“ je možné jednu spermii propojit s více nanočásticemi.
- Nanočástice ve tvaru rýžového zrna – IRONSperm: Hlavička nebo bičík spermie mohou být potaženy nanočásticemi ve tvaru rýžového zrna (vytvořenými chemickým stárnutím) prostřednictvím elektrostatické samoorganizace. Tento proces „mnoha-k-jedné“ je efektivnější než náhodné zachycování. Další vývoj, založený na IRONSperm principu, směřuje k přípravě spermatických klastrů typu „mnoho-k-mnoha“ pomocí magnetického sestavení umožňujících bezdrátový pohyb a neinvazivní lokalizaci současně.
- Komplexní nanonosič: Magnetický mikronosič zhotovený dvoufotonovou litografií, určený k transportu více spermií. Tento typ komponenty „jedna-k-mnoha“ by mohl najít uplatnění v kontrole řízení dávky dodávaných látek, jako jsou cílená léčiva.
Sperm-like nanoboti
Kromě zmíněných biohybridních spermbotů existují také sperm-like nanoboti (napodobující spermie), kteří slouží k porozumění regulace motility spermií a vývoji funkčních nanobotů. Dělí se na dvě kategorie: bičíkaté mikroorganismy a biomimetické spermie (obr. 3).
Obr. 3 Design struktury nanorobotů podobných spermiím
Bičíkaté bakterie jako Salmonella typhimurium nebo Escherichia coli mohou plnit funkci motoru hybridního mikrorobota pro cílenou terapii. Jejich motilita může být zvýšena přidáním magnetických částic. Bakterie s bičíky mohou být připojeny k cílovým nanočásticím pomocí protilátek nebo hydrofobní vazby. Podobně jako u spermbotů lze pohyblivost bakteriobotů zvýšit také pomocí magnetických částic. Navíc magnetotaktické bakterie (např. MO-1) s vlastním magnetozomálním řetězcem s magnetoreaktivními schopnostmi nabízejí duální funkce pro buněčný screening, dodávání léčiv a detekci nemocí.
Umělé spermie, které napodobují přirozený pohyb spermií, se označují jako biomimetické spermie. K nejjednodušším příkladům patří konstrukce tvořená hlavičkou z nanočástice oxidu železa a bičíkem z polystyrenu. Tato měkká mikrorobotická struktura dosahuje délky více než 300 μm a pohybuje se rychlostí okolo 100 μm/s. V poslední době byli dále vyvinuti flexibilní nanoroboti podobní spermiím, jejichž celková délka činí přibližně 15 μm a rychlost pohybu se pohybuje mezi 3–4 μm/s. Jsou vyrobeny samovolným sestavením superparamagnetické hlavičky (nanočástice Fe₃O₄ potažené biotinem) a pružného bičíku tvořeného nanodrátem, jehož zlatý konec je modifikován streptavidinem. Průměrná délka lidské spermie činí přibližně 50 μm a její rychlost pohybu dosahuje okolo 80 μm/s. Přestože uvedené biomimetické konstrukce nejsou schopny plně napodobit rozměry ani dynamiku skutečných spermií, představují významný modelový systém. Poskytují totiž cenné poznatky pro další vývoj, optimalizaci a řízení spermbotů, a to zejména v souvislosti s ovládáním jejich pohybu, navigací v prostředí a potenciální aplikací v asistované reprodukci či cílené terapii.
Ve fázi výzkumu se nachází návrh autonomní spermie založený na piezoelektrické technologii. Cílem je co nejvěrněji napodobit strukturu i funkce přirozené spermie. Praktická realizace tohoto konceptu v nanoměřítku je zatím velmi obtížná kvůli omezením současné mikroelektroniky. Přesto se na vývoji piezoelektrických nanostruktur intenzivně pracuje, jelikož představují první krok využití této technologie k cílenému doručování léčiv.
Pokračování v dalším díle.
Ing. Jana Brabcová, Ph.D.
Zdroj: Zhang Y, et al. Spermbots and their applications in assisted reproduction: Current progress and future perspectives. Int J Nanomedicine. 2024;19:5095–5108.
