تاثیر نانوتکنولوژی بر عملکرد اسپرم

نانوذرات (NPs) ذراتی هستند که با اندازه بسیار کوچک، در مقیاس نانومتری، با ساخت انعطاف‌پذیر و نسبت سطح بالا سنتز می‌شوند. نانوذرات را می توان از مواد مختلفی از جمله فلزات، پلی ساکاریدها و پروتئین ها ساخت. پیشرفت های اخیر در فناوری نانو، کاربردهای احتمالی آن را در چندین شاخه علمی از جمله پزشکی به شدت گسترش داده است. این امر عمدتاً به مهندسی نانوذرات با خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف نسبت داده می‌شود که آن ها را در مقایسه با همولوگ ‌های مهندسی‌نشده مربوطه، پایدارتر، محلول‌تر و از نظر بیولوژیکی مؤثرتر می‌سازد. علاوه بر این، نانوذرات به طور فزاینده‌ای در زمینه دارورسانی برای تولید فرمول‌های درمانی برای مواد لیپوفیل یا آبدوست ناپایدار استفاده شده‌اند.

تحویل سیستمیک داروهای آب گریز در واقع یک مشکل عمده در فارماکولوژی بالینی است. در فهرست داروهای ضروری WHO، حدود 25 درصد از داروها محلول ضعیف در آب در نظر گرفته می‌شوند که کاربرد نانوتکنولوژی می‌تواند بسیار ارزشمند باشد. در حال حاضر نانوذرات یا فرمول‌های دارویی حاوی نانوذرات در حال توسعه هستند تا کارایی دارو را افزایش دهند.

1. محافظت در برابر هضم و تخریب در دستگاه گوارش و در نتیجه به حداکثر رساندن جذب روده و افزایش فراهمی زیستی خوراکی،
2.  طولانی شدن نیمه عمر داروهای در گردش،
3.  دور زدن موانع بافت خون و تحویل به بافت های هدف خاص،
4.  شروع سریع و اثر درمانی طولانی مدت و
5.  کاهش عوارض جانبی.

ظرفیت نانوحامل ها برای عبور از سد هماتو بیضه نشان داده شده است که نگرانی هایی را در مورد توزیع و زیست سازگاری آن ها در سطح سیستمیک ایجاد می کند و نشان می دهد که اثرات in vivo ممکن است نتیجه تغییرات سیستمیک باشد اما همچنین نتیجه اثرات مستقیم در سطح بیضه است. این مقاله بر اثرات گزارش شده in vitro و in vivo انواع مختلف نانوذرات، اعم از مفید یا مضر، بر باروری نر و عملکرد سلول‌های اسپرم در حیوانات مزرعه تمرکز می‌کند.
 

اثرات NPs به عنوان آنتی اکسیدان بر عملکرد اسپرم

پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های نانوذرات منجر به توسعه چندین فرمول NP با خواص آنتی اکسیدانی، ضد التهابی و ضد میکروبی قوی شده است. این بدیهی است که پتانسیل های زیادی را در زمینه بهبود عملکردهای تولیدمثلی چه در شرایط آزمایشگاهی و چه در داخل بدن باز می کند. کاربرد نانوذرات بر اساس خواص آنتی اکسیدانی آن ها می تواند به ویژه برای عملکرد اسپرم و باروری مردان ارزشمند باشد.

خنک سازی منی و انجماد به عنوان عامل افزایش استرس اکسیداتیو در اسپرم شناخته شده است که منجر به کاهش قابل توجه ظرفیت لقاح آن ها می شود. دانشمندان اخیراً کارایی نانوذرات اکسید سریم (CeO2) را آزمایش کرده‌اند که می‌توانند اکسیژن را ذخیره کنند و به عنوان جاذب‌کننده‌های ROS (گونه‌های فعال اکسیژن) عمل کنند تا از زنده ماندن سلول‌های اسپرم قوچ در هنگام خنک‌سازی محافظت کنند.

مکمل CeO2 در گسترش دهنده مایع منی باعث بهبود پارامترهای حرکتی پس از 48 ساعت و تا 96 ساعت انکوباسیون و افزایش سرعت اسپرم سلول‌های اسپرم شد. نانو سلنیوم (SeNPs) همچنین در چندین مطالعه به عنوان یک پاک کننده ROS برای محافظت در برابر آسیب اکسیداتیو در سلول های اسپرم استفاده شده است. افزودن نانو سلنیوم به گسترش دهنده منی باعث بهبود کیفیت منی خروس شد. زمانیکه SeNP ها در رژیم غذایی مکمل شدند، در مقایسه با سایر اشکال سلنیوم در افزایش فعالیت آنزیم آنتی اکسیدانی و کیفیت اسپرم موثرتر بودند.

نانو روی نیز از جمله NP های فلزی است که به طور موثر برای بهبود کیفیت مایع منی استفاده می شود. در قوچ‌های جوان، مکمل‌سازی جیره با 50 میلی‌گرم بر کیلوگرم یا 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم ZnNP در جیره باعث بهبود کیفیت منی اپیدیدیم شد. به طور مشابه، مکمل گسترش دهنده منی گاو نر با نانو کمپلکس روی باعث کاهش سطح مالون دی آلدئید و بهبود فعالیت میتوکندری گردید. در موش‌های دیابتی ناشی از استرپتوزوتوسین، نانوذرات اکسید روی فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدانی در بافت بیضه و تعداد اسپرم را افزایش می‌دهند.
 

 

نانوتکنولوژی برای تصفیه و جداسازی اسپرم در حیوانات مزرعه

امروزه سیستم های اصلاحی مدرن نیازمند انتشار ژنوتیپ های برتر و در نتیجه انتخاب گامت ها و جنین های با کیفیت بالا هستند. در تولید مثل نر، عوامل زیادی مانند روش‌های معمول نگهداری، ممکن است بر کیفیت اسپرم تأثیر منفی بگذارد و چندین استراتژی برای غلبه بر این محدودیت‌ها به منظور دستیابی به نرخ باروری بالا در داخل بدن و در شرایط آزمایشگاهی طراحی شده است. از جمله، تصفیه و مرتب‌سازی اسپرم ابزار معتبری برای انتخاب زیرجمعیت ‌های بهترین اسپرم (از نظر تحرک و مورفولوژی) در انزال و دور ریختن سلول‌های معیوب است.

این تکنیک‌ها همچنین امکان بازیابی اسپرم‌ها را از انزال‌های کمتر از حد مطلوب از حیوانات با ارزش‌های ژنتیکی بالا فراهم می‌کنند. در منابع، تکنیک‌های متعددی برای دستیابی به این هدف توسعه یافته‌اند و در حیوانات مزرعه آزمایش شده‌اند:
از جمله سانتریفیوژ با گرادیان چگالی، فیلتراسیون از طریق ستون ها و سانتریفیوژ تک لایه (SLC). اگرچه این روش‌ها پارامترهای عملکردی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشند، از طرف دیگر به دلیل متغیر بودن نرخ بهبودی، منجر به کاهش غلظت دوزهای تلقیح می‌شوند، زمان‌بر هستند و هزینه‌ها و نیروی کار را به روش های استاندارد حمل و نگهداری مایع منی اضافه می‌کنند. یک رویکرد جدید برای انتخاب مایع منی با توسعه تکنیک‌هایی نشان داده می‌شود که نشانگرهای زیستی منفی خاص کیفیت اسپرم را مورد هدف قرار می‌دهند، مانند نقص در آکروزوم و غشای سیتوپلاسم یا وجود یوبیکوئیتین در سطوح اسپرم.

دانه های مغناطیسی پوشیده شده با پروب هایی که به طور خاص به این نشانگرهای زیستی متصل می شوند (لکتین های بادام زمینی و آگلوتینین (PNA/PSA)، انکسین V، آنتی بادی های ضد یوبیکوئیتین) با موفقیت هم در انسان و هم در گاو نر برای از بین بردن اسپرم معیوب با قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی استفاده شده است. به طور خاص، نانوذرات Fe3O4، که به دلیل خاصیت مغناطیسی، سازگاری زیستی و عملکرد زیستی شناخته شده‌اند، یا با لکتین PNA/PSA کونژوگه شده‌اند تا به طور انتخابی به گلیکان‌های بیان شده در آکروزوم‌های واکنش‌دهنده یا با آنتی‌بادی‌های ضد یوبیکوئیتین متصل شوند.

با اتصال خاص به اسپرم‌های معیوب، از آن ها برای نانوتصفیه اسپرم‌های گاو نر استفاده می‌شود که منجر به افزایش نرخ لقاح پس از لقاح مصنوعی می‌شود. به طور مشابه، نانوذرات Fe3O4 پوشش داده شده با لکتین‌های PNA/PSA برای نانوتصفیه منی گراز مورد استفاده قرار گرفت و به طور موثر زیرجمعیتی از اسپرم‌های بسیار متحرک و زنده را انتخاب کرد. جالب توجه است که نویسندگان این مطالعات گزارش دادند که روش نانوتصفیه اسپرم نیازی به دستکاری گسترده منی، کار و هزینه های اضافی ندارد، زیرا کمتر از 1 ساعت طول می کشد تا نمونه منی خالص شده بدون تجهیزات گران قیمت تهیه شود.

حذف اسپرم‌های مرده در واقع از اهمیت حیاتی برخوردار است، زیرا بر ویژگی‌های حرکتی و یکپارچگی غشای اسپرم‌های زنده تأثیر منفی می‌گذارد. این نتایج دلگرم‌کننده نشان می‌دهد که فناوری‌های نانو به راحتی می‌توانند در فرآیندهای معمول انتخاب جمعیت اسپرم با کیفیت بالا برای افزایش نرخ باروری در حیوانات مزرعه گنجانده شوند.

در روش دیگری، نانوذرات Fe3O4 سوپرپارامغناطیس پوشیده شده با آویدین (SPION) به طور انتخابی به آپتامرهای DNA مصنوعی مخصوص اسپرم‌های دارای غشای آسیب‌دیده متصل می‌شوند. نویسندگان گزارش کردند که حذف اسپرم آسیب دیده با سیستم آپتامر/SPION به طور قابل توجهی کیفیت مایع منی را از نظر سلول های زنده بهبود می بخشد و بر رشد جنین در شرایط آزمایشگاهی تأثیری نمی گذارد. قبلاً نشان داده شده بود که این نانوذرات مغناطیسی بر تحرک اسپرم یا واکنش آکروزوم تأثیر نمی‌گذارند.

 

 

درمان عفونت های تناسلی

در منابع، چندین گزارش خواص ضد باکتریایی، ضد ویروسی و ضد قارچی نانوذرات فلزی یا دندریمرها را توصیف کردند. این ویژگی‌ها یا از طریق عمل لیز بر روی دیواره‌های سلولی میکروبی، مهار چسبندگی ویروسی و نفوذ به داخل سلول‌ها، اثر پرواکسیدانی با در نتیجه القای آپوپتوز و مرگ سلول میکروبی و یا ظرفیت انتقال دارو، افزایش رهایش هدف به دست می‌آیند. از مواد ضد میکروبی خاص در زمینه تولید مثل انسان، نانوتکنولوژی برای درمان بالقوه انواع عفونت‌های تناسلی ناشی از پاتوژن‌های مختلف استفاده شده است:
از جمله کلامیدیا تراکوماتیس، کاندیدا آلبیکنس، ویروس هرپس واژینال.

از سوی دیگر، تعداد بسیار محدودی گزارش در این زمینه در مورد حیوانات مزرعه منتشر شده است. اخیراً، اثرات ضد میکروبی AgNP ها روی باکتری گرم منفی Prevotella Melaninogenica و باکتری گرم مثبت Arcanobacterium pyogenes (دو پاتوژن مقاوم به چند دارو و مسئول اندومتریت بالینی گاو)، آزمایش شده است.

نتایج نشان داد که نانوذرات قادر به القای اختلال متابولیک افزایش تولید درون سلولی رادیکال‌های آزاد هستند که نشان‌دهنده یک جایگزین معتبر برای درمان‌های آنتی‌بیوتیک سنتی است. هیچ آزمایشی برای مقابله با عفونت های دستگاه تناسلی نر در حیوانات مزرعه با استفاده از NP گزارش نشده است. هنوز اطلاعات زیادی باید جمع‌آوری شود تا بتوان روش‌ های درمانی را در داخل بدن توسعه داد و فناوری‌ های نانو را در عمل بالینی و روال کشاورزی معرفی کرد. 
 

سایر کاربردهای اخیر NPs در تهیه مایع منی

سنجشی با استفاده از هپارین AuNPs (HAuNPs) به عنوان نشانگر زیستی برای باروری انسان توسعه یافته است. این سنجش از خواص پلی کاتیونی پروتامین (فراوان ترین پروتئین هسته ای در اسپرم) استفاده می کند. برهمکنش های الکترواستاتیکی بین پروتامین پلی کاتیونی و هپارین های پلی آنیونی منجر به تغییر رنگ قابل مشاهده می شود که با چشم غیر مسلح قابل تشخیص است. توسعه و بهینه ‌سازی آزمایش‌های مشابه (بدون آزمایشگاه) می‌تواند در آینده به‌عنوان آزمایش ‌های حیوانی برای کمک به انتخاب نرها برای پرورش در حیوانات خانگی، خرگوش و حیوانات مزرعه استفاده شود.
 

اختلاف نظر در استفاده از فناوری نانو در تولید مثل: تأثیر زیست محیطی پراکندگی نانوذرات و سمیت

نانوذرات، به‌ویژه نانوذرات اکسید فلز، به طور فزاینده‌ای در بسیاری از زمینه‌های زندگی روزمره شامل لوازم آرایشی، الکترونیک و بسته بندی مواد غذایی استفاده می‌شوند. بنابراین، نگرانی های زیست محیطی در مورد پراکندگی این نانوذرات و اثرات بیولوژیکی آن ها بر موجودات زنده وجود دارد. گزارش های بحث برانگیز در مورد اثرات سمیت NP ها در چندین مقاله اخیر مورد توجه قرار گرفته است و توجه ویژه ای به اثرات خاص بر گامت های نر شده است.

نشان داده شد که نانوذرات اکسید روی به صورت وابسته به دوز، یک اثر سمی روی سلول‌های زایای بیضه موش اعمال می‌کنند. دانشمندان دریافتند که SNPها عمدتاً بر فرآیند بلوغ اسپرم در اپیدیدیم (لوله‌ای باریک درون بیضه‌ها)  تأثیر می‌گذارند که مشخص شد در مقایسه با اسپرماتوگونی و اسپرماتوسیت نسبت به سمیت NPs حساس‌تر هستند. نانوذرات ZnO منجر به آسیب برگشت پذیر اسپرم اپیدیدیم بدون تأثیر بر باروری می شود. نانوذرات با ایجاد استرس اکسیداتیو و با آسیب رساندن به ساختار میتوکندری، اثرات مضری بر کمیت و کیفیت اسپرم در اپیدیدیم دارند و در نتیجه باعث اختلال در متابولیسم انرژی می‌شوند.

نانوذرات نقره یک عامل سمی بالقوه برای سلول های اسپرم هستند و اثرات نامطلوبی را، احتمالاً از طریق القای استرس اکسیداتیو، اعمال می کنند. علاوه بر این، قرار گرفتن سلول‌های اسپرم موش در معرض AgNP، میزان موفقیت لقاح آزمایشگاهی را کاهش می‌دهد، تشکیل بلاستوسیست بعدی را به تاخیر می‌اندازد و بیان ژن مسئول رشد جنینی را کاهش می‌دهد. دانشمندان نشان دادند که در موش‌های صحرایی، قرار گرفتن در معرض دوزهای زیر مزمن خوراکی 50 تا 200 میلی‌گرم بر کیلوگرم در روز از PVP-AgNPs تأثیر منفی جزئی بر مورفولوژی اسپرم دارد. همچنین گزارش شده است که قرار گرفتن در معرض وابسته به دوز با TiO2NP باعث مسمومیت بیضه، کاهش تولید اسپرم و ضایعات اسپرم در بیضه‌های موش می‌شود که ارتباط نزدیکی با کاهش مصرف روزانه غذا و آب، اختلالات بیوشیمیایی و استرس اکسیداتیو دارد.

 نانوذرات طلا (AuNPs) و نقره نیز از نانوذرات فلزی پرمصرف هستند. تجویز AuNPs به مدت 35 روز در موش منجر به کاهش قابل توجهی در تحرک اسپرم و مورفولوژی طبیعی، و همچنین بازسازی کروماتین اسپرم، کاهش ثبات کروماتین و افزایش آسیب DNA شد.

اثرات مشابهی را می توان در اسپرم های اپیدیدیم در موش های صحرایی بالغ پس از قرار گرفتن در معرض AgNP ها مشاهده کرد، حتی اگر قرار گرفتن در معرض AgNP در مرحله قبل از بلوغ رخ دهد. این اثرات در اسپرم های گاو نر نیز مشهود است و احتمالاً به دلیل تعامل مستقیم با سلول های اسپرم است. از آنجایی که در گاوهای نر، AuNP ها تنها از طریق تعامل با غشای سطحی اسپرم و بدون نفوذ سلولی، عملکرد اسپرم را مختل می کنند و توانایی لقاح اسپرم را کاهش می دهند.

به طور مشابه، تجویز TiO2NPs باعث نقص عملکردی و آسیب DNA در موش‌های نر شد و بر باروری فرزندان نر پس از قرار گرفتن در معرض ماده تأثیر گذاشت. نشان داده شد که این ماده آسیب سیتوتوکسیک (سمیت سلولی) و ژنوتوکسیک (سمی برای DNA )را در بافت بیضه در موش‌ها ایجاد می‌کند و بیان پروتئین شوک حرارتی 70 را افزایش می‌دهد که نشان‌دهنده سطوح بالایی از استرس سلولی است که در صورت استفاده از این اسپرم ‌ها برای لقاح ممکن است به طور قابل‌توجهی بر رشد جنین بعدی تأثیر بگذارد. اکسید تیتانیوم برای اسپرم بوفالو در شرایط آزمایشگاهی نیز سمی بود. سایر نانوذرات فلزی مانند ماگمیت با پوشش دیمرکاپتوسوسینیک اسید (DMSA) و CeO2NPs وقتی در شرایط آزمایشگاهی اضافه شدند بر ساختار یا عملکرد اسپرم قوچ یا گاو نر تأثیری نداشتند.

اگرچه نشان داده شد که نانوذرات CeO2 حفظ منی قوچ را با سرد کردن افزایش می دهند، اما اگر مکمل خوراکی مصرف شود، ممکن است اثرات مضری نیز داشته باشد، زیرا در موش ها، القای استرس اکسیداتیو و ویژگی های اسپرم پایین گزارش شده است.
 

محدودیت های دیگر برای کاربردهای عملی NPs

محدودیت‌های عمده برای کاربردهای عملی NPs در داخل بدن شامل غلبه بر موانع بیولوژیکی برای تحویل دارو، اجتناب از توزیع و هدف‌گیری غیراختصاصی و همچنین به حداقل رساندن اپسونیزاسیون و پاکسازی توسط سیستم ایمنی پس از تجویز خوراکی یا داخل وریدی است. اخیراً، چندین استراتژی برای ایجاد نانوذرات چند منظوره با ادغام بخش‌های هدف‌گیری فعال برای افزایش جذب در سلول‌های خاص ایجاد شده‌اند.

عامل‌سازی با PEGylation، اصلاح بار سطحی و اتصال لیگاندهای خاص برای بافت هدف، از جمله استراتژی‌های دیگر با موفقیت برای اجتناب از موانع ذکر شده در بالا و افزایش هدف‌گیری توسعه یافته است. این به طور گسترده در درمان ناباروری مردان، به ویژه در حیوانات مزرعه استفاده نشده است. با این حال، نشانه هایی وجود دارد که نشان می دهد این روش می تواند با موفقیت برای بهبود عملکرد بیضه استفاده شود. قبل از اینکه چنین فناوری به محصولات مؤثری برای استفاده در داخل بدن انسان تبدیل شود، هنوز به تحقیقات بیشتری نیاز است.
 

 

جمع بندی

گزارش‌های ذکر شده در بالا شواهدی را نشان می‌دهند که انواع مختلف NPs اثرات متفاوتی بر عملکرد سلول‌های اسپرم دارند. خواص آنتی اکسیدانی برخی از نانوذرات یکی از امیدوارکننده ترین کاربردها برای محافظت از عملکرد سلول های اسپرم در طول انجماد است. سایر عملکردهای لیگاند سطحی در تصفیه و انتخاب سلول های اسپرم کارآمد به اثبات رسیده است. گزارش‌های کمتری برای استفاده از خواص ضد میکروبی NPs بر آماده‌سازی اسپرم یا درمان عفونت‌های تناسلی در نظر گرفته شده است. با این وجود، اثرات سمی نانوذرات بر عملکرد تولیدمثلی نر مشهود است که نگرانی‌های زیست‌محیطی در مورد پراکندگی این نانوذرات و اثرات بیولوژیکی آن‌ها بر باروری در انسان و حیوان را افزایش می‌دهد.
 
منبع: لرا فالچی، Università di Sassari, Sassari, Italy