作者：海伦·申，来自自然杂志
人类精子被捕捉到在进行复杂的舞蹈。一种新的三维成像技术揭示了螺旋运动，而这种运动之前只能从二维数据中推断出来。
这项研究今天发表在《美国国家科学院院刊》上，描述了首次大规模、高分辨率地记录了人类精子的三维运动，追踪了超过1500个细胞数小时。过去，人类精子很难进行如此详细的观察。它们的头部只有3-4微米长，只能在高倍放大下看到，但细胞以每秒高达100微米的速度移动，瞬间躲避焦点或冲出范围。
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“我们的目的是创造一些不受传统光学限制的东西，”加州大学洛杉矶分校的生物工程师、该研究的负责人艾多根·奥兹坎说。“这是对完全隐藏的东西的第一次观察。”
研究小组不是用传统的显微镜镜头观察狡猾的精子，而是用一个光感芯片——尺寸约为4×6毫米——放置在半透明样本的下方。一个红色发光二极管 (LED) 照射在精子上，在芯片上形成一个模糊的阴影，随着每个细胞的水平移动而跟随其头部。第二个蓝色 LED 从不同的角度照射精子，投射出随每个精子头部垂直位置而变化的阴影。以每秒约 90 帧的速度对大量细胞进行成像，使研究人员能够比以往任何时候都更精确地描述精子的运动。
超过 90% 的精子沿着略微弯曲的路径移动，头部略微左右摆动。一小部分——4-5%——以近乎完美的螺旋形前进，形成半径在 0.5 到 3 微米之间的螺旋（见下方视频）。大多数螺旋是右旋的，但奥兹坎表示，现在判断这种偏好是否具有任何生理功能还为时过早。
纽约伊萨卡康奈尔大学的精子研究员苏珊·苏亚雷斯对游泳模式的意义感到好奇。她希望该方法可以用于研究精子在更广泛的生理条件下的游泳情况，包括精子在前往卵子的途中遇到的 pH 值和液体条件。
基于芯片的成像有一天可能会为生育研究人员提供更便宜、更便携的方式来观察精子运动，取代分析显微镜图像的昂贵的计算机系统。但奥兹坎表示，他的技术——只能用于半透明材料——也可以用于研究细菌和其他游泳微生物。
照亮可能性
北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的杜克成像和光谱学项目负责人大卫·布雷迪表示，精子成像是“一个很好的应用演示”，在不断发展的无透镜成像领域。他说，过去 5-10 年出现了更小、更强大的技术，但尚未进入主流实验生物学领域。作者提出了一个“让人们议论纷纷”的应用程序。
一些精子生物学家认为，该技术还可以开辟新的研究途径。“我一直在寻找观察精子——运动精子——的方法，这似乎是一个好方法，”马萨诸塞州波士顿儿童医院的大卫·克拉普汉姆说。“它的优点在于它如此快速地对如此多的细胞同时进行。”然而，克拉普汉姆说，该方法仅跟踪精子头部，因此无法捕捉对理解精子功能和功能障碍至关重要的复杂尾部运动。
奥兹坎说，细长的尾部（横截面可能小于半微米）将需要改进成像技术。但是，他说，“这绝对是可能的”。