Мал, да дорог: как и зачем ученые изучают сперматозоиды

С невозможностью завести детей, бесплодием, сегодня сталкивается 8–12% пар по всему миру. Пара считается бесплодной, если в течение 12 месяцев половой жизни без предохранения у нее не получается зачать ребенка.

Исторически бесплодие было исключительно женской проблемой: это женщины не могли зачать, выносить, а вот мужчинам просто не везло с женами. Нет детей — скажи, что во всём виновата она, и ищи скорее новую женщину.

Пока врачи изучали женскую физиологию, пытались проводить искусственную инсеминацию (первые попытки были сделаны еще в XV веке), лечили сопутствующие заболевания, даже те, что не нужно было лечить, мужчины и их половые клетки оставались вне зоны видимости. Конечно, было понятно, что мужская роль в зачатии равноценна женской, но вплоть до конца XX века о факторах, влияющих на мужскую фертильность, было практически ничего неизвестно.

В целом для зачатия от мужчины нужен только сперматозоид. Но не любой. Сперматозоиды до сих пор оцениваются по старым, классическим параметрам: морфологии (внешнему виду) и подвижности. Существует список критериев (критерии Крюгера), которым должен соответствовать пригодный сперматозоид. Если охарактеризовать их кратко — он должен быть красивым: иметь правильные пропорции головки, шейки и хвоста, не быть двухголовым, двухвостым или искривленным, от него не должны отходить цитоплазматические капли. Если таких сперматозоидов у мужчины больше 14%, считается, что он способен к естественному зачатию. Если меньше 4%, рекомендуется применить ИКСИ — метод, при котором специально выбранный самый лучший сперматозоид прицельно помещают в яйцеклетку. Эффективность такого метода (наступление беременности) около 35%.

Что вообще из себя представляет мужская половая клетка? По сути, это ДНК с моторчиком.

Сперматозоиду не нужны запасы, как яйцеклетке, ему не нужно быть большим, как нейрону. Главная его цель — доплыть и оплодотворить. Длина человеческого сперматозоида — от 50 до 70 микрометров (для сравнения: диаметр волоса — около 70–90 мкм). Он состоит из трех частей: головки, средней части и хвоста. Головка овальная, в ней есть ядро, напичканное упакованной генетической информацией, акросома (пузырек с ферментами), которая помогает внедриться в яйцеклетку, и центросома (от нее отходят микротрубочки, которые являются важным компонентом цитоскелета и обеспечивают движение хвоста). В головке почти нет цитоплазмы, всё очень компактно и аккуратно уложено. Средняя часть небольшая и почти полностью заполнена митохондриями. У человека их 28, они расположены так плотно, что практически сливаются в единую структуру, митохондрион. Именно он дает энергию сперматозоидам для движения (а больше им ни на что и не нужно). Хвост — самый длинный, около 40–60 мкм, его главная задача — крутиться, чтобы доставить сперматозоид к яйцеклетке.

Сперматозоид несет в себе гаплоидный (одинарный) набор хромосом: 22 соматические хромосомы и одну половую, X или Y (они действительно похожи на эти буквы). Существует представление, что «мужские» сперматозоиды, несущие Y-хромосому, передвигаются быстрее, а значит, чтобы забеременеть мальчиком, нужно заняться сексом в первый же день овуляции — тогда до яйцеклетки доберутся только быстрые-высокие-сильные, а «девочки» приплывут, когда дело будет сделано. Этот миф основан на работе 1960 года Лэндрама Шеттлса: исследователь предположил, что сперматозоиды поменьше, плавающие быстрее крупных, несут Y-хромосому. Данная точка зрения так и не подтвердилась: за последних 70 лет не было обнаружено различий в скорости клеток разных популяций, но метод Шеттлса стал очень популярен.

В целом же пол будущего ребенка — абсолютная лотерея, до сих пор не существует способа выбрать сперматозоид с нужной хромосомой.

При оплодотворении два гаплоидных набора хромосом объединяются — и вот, генотип восстановлен.

Вообще, Y-хромосома — интересная вещь. Обычно хромосомы находятся в парах, и в этих парах они великолепно обмениваются генами при создании новых гамет (будь то сперматозоиды или яйцеклетки). Но не тут-то было! Y-хромосома крайне редко обменивается генами с хромосомой Х, то есть она практически в неизменном виде передается из поколения в поколение, а ее набор генов формируется только путем случайных мутаций и отбора. Это привело к ее вырождению: она содержит всего 86 генов, очень легко мутирует и с радостью передает мутации дальше (ведь заменить эти гены рабочими, из Х-хромосомы, не удается). Сплошные проблемы, но зато она несет крайне важный ген SRY, который ведет плод по мужскому пути развития.

Несмотря на то, что сперматозоиды играют важную роль при оплодотворении, они до сих пор недостаточно изучены. Из всех научных статей, выходивших за последние 50 лет, только 0,4% посвящены сперматозоидам. Их открыл Антони ван Левенгук, изобретатель микроскопа. Он охотно изучал частицы себя: чешуйки кожи, кровь из пальца, волосы. И однажды ему пришло письмо из Лондонского королевского общества с просьбой обратить внимание на человеческие жидкости, в том числе на пот, слюну и сперму. Левенгук совершенно не хотел этим заниматься, но и отказать не посмел.

Как изучать сперму в XVI веке, если мастурбация — грех? Пришлось Левенгуку вовлекать в процесс жену: сразу после полового акта, «не прошло и шести ударов сердца», он собирает необходимый образец и помещает его под линзу микроскопа.

Там он увидел… да особо ничего интересного. Да, есть какие-то клетки, да, вроде двигаются. Но Левенгук не был заинтересован в этом открытии и, формально отчитавшись Королевскому обществу, изыскания прекратил. Однако легенда гласит, что его ассистент, Иоганн Хэм, продолжил исследования. В 1677 году он наблюдает больного гонореей: разглядывает его сперму под микроскопом, видит многочисленные движущиеся клетки и делает вывод, что именно они — причина болезни. После лечения скипидаром «живчики» перестают быть таковыми. Хэм докладывает об этом своему учителю, и Левенгуку приходится возвращаться к прошлым изысканиям: он вновь изучает сперму, подробно описывает строение и характер движения сперматозоидов и высказывает предположение, что именно эти «зверьки» играют важную роль в зачатии ребенка. Только через 100 лет после открытия сперматозоидов, в 1776 году, другой естествоиспытатель Ладзаро Спалланцани определил их роль в оплодотворении, еще через 100 лет — в 1855-м и 1856 году — физиологи описали клетки Лейдига и клетки Сертоли, без которых сперматозоиды ничего не стоят (эти клетки вырабатывают необходимые гормоны, выполняют барьерную и иммунную функции). 200 лет потребовалось на то, чтобы лишь слегка прикоснуться к макроструктуре мужских гамет, и еще 200 — чтобы начать понимать механизмы их работы.

Следующий факт помогает представить масштабы неизученности этой темы: совсем недавно, в июле 2020 года, опубликовали статью о характере движения сперматозоидов. То, что они постоянно движутся, увидели в 1677-м, а вот как именно движутся — только через 350 лет. Сначала считали, что мужские гаметы плавают с помощью хвоста, изгибаясь: он колеблется и приводит в движение тело. Но в таком случае движения хвоста должны быть симметричными, а они такими быть не могут из-за его несимметричного строения!

Только при помощи скоростной съемки под микроскопом удалось выяснить, что сперматозоиды перемещаются как выдры — крутясь в одну сторону (или как штопор вкручивается в пробку, если вы давно не видели выдр).

Казалось бы, какая разница? Большая, ведь успешность оплодотворения очень сильно зависит от движения сперматозоида. Теперь ученые по-другому подходят к изучению неподвижных сперматозоидов и разрабатывают методы их стимуляции.

Вообще, представление о спиральном вращении сперматозоидов появилось раньше, и даже есть девайс, основанный на этом предположении. В 2016 году ученые представили спермобота — полимерную наноспираль, которая может прикрепляться к сперматозоиду и выполнять функцию мотора. Предполагается, что такая методика «оживления» неподвижных сперматозоидов будет эффективнее и безопаснее ЭКО. Исследования проводили на яйцеклетках крупного рогатого скота, пока только in vitro. Но есть надежда, что этот метод действительно сработает и можно будет просто запускать внутрь человека армию моторизованных сперматозоидов.

Какие еще методы существуют для изучения таких маленьких, но таких полезных клеток? Например, метод рамановской спектроскопии. Через образец (в нашем случае это сперматозоид, живой, но максимально обездвиженный) пропускают луч света; рассеянный свет попадает на детекторы, с помощью которых можно проводить молекулярный анализ клетки. Если мы будем знать эталонные молекулярные характеристики сперматозоида, при анализе спермы с помощью рамановского спектрометра можно будет находить и выборочно выделять самые лучшие, наиболее подходящие. Звучит как прорыв, однако есть много но. В первую очередь встает вопрос: как обеспечить сортировку? Как задержать клетку на время, необходимое для анализа, но при этом оставить ее жизнеспособной? Где тот самый эталон? В общем, вопросов намного больше, чем ответов, но это очень перспективное направление.

Расширенные знания о сперматозоидах и их механизмах нужны прямо сейчас в клинике. Сегодня около 40–50% случаев бесплодия связаны именно с «мужским фактором» (нельзя говорить «мужчина бесплоден», этот термин, в соответствии с рекомендациями ВОЗ, применим только к паре). Раньше этот процент был намного ниже, поскольку многие мужские факторы не учитывали при диагностике и не включали в статистику.

Вернемся к вопросу о бесплодии: в наше время самый распространенный метод для борьбы с ним — экстракорпоральное оплодотворение. Первая процедура прошла успешно в 1978 году (женщина, впервые зачатая с помощью ЭКО, уже сама стала матерью). По сути, это оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом в лабораторных условиях. Сегодня в развитых странах 2–4% детей появляются на свет в результате применения вспомогательных репродуктивных технологий. ЭКО может происходить «естественным образом»: в каплю специальной среды помещают сперматозоиды, яйцеклетку и инкубируют их вместе, ожидая оплодотворения; либо посредством ИКСИ — интрацитоплазматической инъекции спермы. Тогда репродуктолог сам отбирает наиболее перспективный сперматозоид и с помощью микроманипулятора вводит его внутрь яйцеклетки.

Казалось бы, отличный выход из ситуации. Однако минус ЭКО состоит в том, что женщина подвергается большей нагрузке, чем мужчина: ей необходимо пройти гормональную подготовку, потом пункцию яичников для получения яйцеклетки, затем подсаживание бластоцист. К тому же процедура связана с психологическими трудностями: не все бластоцисты приживаются, а значит, протокол нужно повторять снова.

В случае мужского фактора бесплодия, женщине всё равно приходится проходить все этапы, даже если у нее самой нет показаний к этой процедуре.

Именно поэтому важно искать новые способы, которые будут решать проблемы, связанные именно со сперматозоидами и их доставкой к яйцеклетке. Что существует на данный момент? Кроме спиральных моторчиков для бычьих сперматозоидов — ничего. На подготовительном этапе врачи могут предложить мужчине из бесплодной пары общую оценку здоровья и анализ спермы. А могут и не предложить — в 18% случаев обращений бесплодных пар к специалистам обследование мужчины не проводится. Так, мужчины с проблемами, которые можно решить, остаются вне зоны видимости, а паре, скорее всего, предлагают ненужное ЭКО.

Да, более 30% случаев бесплодия — идиопатические, то есть нельзя точно сказать, почему не наступает беременность. Врачи сетуют на нездоровый образ жизни, чрезмерную массу тела, возраст, даже на использование подгузников в младенчестве. Пока это лишь домыслы, и нельзя назвать точную причину. Обычно в этих случаях (в идеале после полноценного обследования) ЭКО — единственный вариант.

Однако около 15% случаев бесплодия связаны с распространенным заболеванием варикоцеле — варикозным расширением вен семенного канатика и яичка. Оно может вызывать изменения состава спермы, в том числе приводить к полному отсутствию в ней сперматозоидов (азооспермия встречается примерно у 1% всех мужчин и у 15% мужчин, страдающих бесплодием) или к их малому количеству (олигоспермии). Это нарушение исправляется хирургическим путем, и, кажется, после него всё же повышается вероятность зачать ребенка (это очень сложно доказать, поскольку здесь действует множество факторов, и ученые не пришли к единому мнению в этом вопросе). Еще 8% случаев приходятся на инфекционные заболевания, которые тоже отлично поддаются лечению. И оставшиеся (по 1–2%) — на венерические и системные заболевания, гормональные нарушения, врожденные и приобретенные патологии половой системы, сочетание нескольких факторов (например, и недостаточное количество сперматозоидов, и их аномальность, тератозооспермия) и много других мелких причин.

Важно понимать, что с развитием науки о мужском репродуктивном здоровье не все эти проблемы будут обязательно означать бесплодие. Но, увы, скорее всего, ученые найдут новые.