输卵管作为精卵结合的必经之路，其微环境对精子在输卵管中的定向运动及后期的成功受精极为关键。临床发现，并非精力充沛、运动速度快的精子能够在众多竞争中胜出，而是埋伏在输卵管壁面绒毛内的精子，等待合适的时机才能迁移到卵子附近完成受精。然而，对精子与输卵管上皮细胞表面的相互作用，以及从静态到苏醒并迁移的过程，现有的实验方法和理论研究仍颇受挑战。
2023年1月19日，复旦大学生物医学研究院刘妍君课题组与西北大学经光银教授团队在Analytical Chemistry杂志上发表题为Escaping Behavior of Sperms on the Biomimetic Oviductal Surface的研究论文，该论文研究了精子在受精前从输卵管上皮细胞表面逃离的复杂过程。
研究人员使用纤连蛋白(Fibronectin, FN)模拟输卵管上皮细胞表面，并利用微流控芯片构建了稳定的孕酮(P4) 浓度梯度，以模拟输卵管微环境。在此输卵管芯片中，实时记录了精子在粘附表面的动态行为，发现了三种精子运动模式——锚定旋转模式(Anchored spin mode)：精子头部锚定在FN表面，鞭毛自由摆动；脱离-锚定旋转模式(Run-and-spin mode)：精子从粘附表面脱离，迁移一定距离后，重新粘附在FN表面，并在粘附和脱离两种状态之间切换；逃离模式(Escaped mode): 精子从粘附表面逃离，不再继续粘附在表面。研究发现，随着P4浓度的增加，精子从粘附表面脱离的比例升高，精子的活力也升高。值得一提的是，三种模式下精子在粘附表面的旋转角速度大小依次为：Anchored spin mode< Run-and-spin mode < Escaped mode。因此，研究者推测精子的脱离行为与其活力有关。
该研究提出了一种动力学模型。将粘附的精子简化为球棍模型，通过计算分析精子头部的旋转动能和粘附能，发现三种模式的旋转动能依次增加。令人惊讶的是，粘附能恰好介于Anchored spin mode和Run-and-spin mode中精子旋转动能之间，说明精子的旋转动能直接决定它们能否脱离粘附表面。进一步，研究团队证实了前叙三种运动模式可通过改变孕酮浓度进行调节。该研究揭示了精子在受精前从上皮细胞表面逃离的真实过程，为揭示精子如何通过输卵管微环境提供了强有力的理论基础。
综上，研究人员通过构建仿生输卵管芯片，发现了精子在粘附表面的三种行为模式，并揭示了精子在输卵管表面逃离的行为机制。
复旦大学生物医学研究院刘妍君研究员、西北大学经光银教授、复旦大学生物医学研究院高海副研究员为论文共同通讯作者。复旦大学生物医学研究院博士生余赛西、硕士生吴怡（已毕业）、西北大学罗昊为本文共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04338
