Микрогравитация нарушила направленное движение сперматозоидов человека, мышей и свиней и снизила их способность к оплодотворению, при этом прогестерон частично восстанавливал их навигацию. Кроме того, воздействие микрогравитации во время оплодотворения нарушало развитие бластоцист у свиней, а ее длительное воздействие оказалось связано с задержкой развития и снижением количества клеток бластоцисты у мышей. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Biology.
Человечество давно исследует возможность освоения других планет. Понимание того, как внеземные условия влияют на человеческий организм и в том числе на размножение, имеет большое значение для планирования экспедиций. Внеземная среда характеризуется пониженной гравитацией. Гравитация на Земле сыграла фундаментальную роль в эволюции жизни, и ее изменения могут нарушать нормальные физиологические процессы. У космонавтов, вернувшихся с Международной космической станции, наблюдается снижение объема циркулирующей крови, увеличение мышечной атрофии и потеря костной массы, а также нарушения осанки и иммунной системы.
Репродуктивная система тоже чувствительна к силе тяжести. Было показано, что микрогравитация ухудшает дифференцировку эмбриональных стволовых клеток мышей во время космических полетов и влияет на уровни мужских половых гормонов. Однако специфическое влияние микрогравитации на функцию гамет и ранние стадии эмбриогенеза остается неясным. При этом мышиные эмбрионы на космической станции смогли развиться до бластоцисты, которая может имплантироваться в стенку матки, причем клетки в ней дифференцировались так же, как и на Земле (мы подробно обсуждали это исследование в нашем редакционном подкасте).
Чтобы изучить, как микрогравитация влияет на процесс оплодотворения, исследовательская группа под руководством Николь Макферсон (Nicole McPherson) из Университета Аделаиды провела эксперимент, в котором сперматозоиды трех видов млекопитающих — человека, мышей и свиней — подвергались воздействию микрогравитации в условиях клиностата. Сперматозоиды двигались по узкому каналу, который моделировал шейку матки — был заполнен раствором, оптимизированным для оплодотворения яйцеклеток и похожим на естественную среду.
Промытые человеческие сперматозоиды инкубировали прямо в канале, после их прохождения по нему параметры подвижности определялись количественно с помощью компьютерного анализа. Ученые наблюдали значительное снижение процента сперматозоидов, которые могли успешно перемещаться по каналу и достигать его конца в условиях искусственной микрогравитации по сравнению с условиями нормальной гравитации (p = 0,002). При этом микрогравитация не влияла на подвижность сперматозоидов. Добавление 100 микромоль хемотаксического фактора — прогестерона — на другой конец канала позволило восстановить навигацию сперматозоидов до уровня, наблюдаемого при нормальной силе тяжести.
Затем исследователи разместили яйцеклетку с поддерживающими ее клетками и сперматозоиды мышей на противоположных концах канала. После четырехчасового инкубирования в условиях искусственной микрогравитации яйцеклетку помещали на питательную среду в условиях нормальной гравитации еще на 96 часов. По сравнению с нормальной гравитацией, уровень оплодотворения был ниже на 30 процентов (p = 0,03). Кроме того, ученые наблюдали значительное увеличение количества клеток эпибласта (p = 0,01). Все это говорит о снижении числа сперматозоидов, которые успешно достигли яйцеклетки. Однако те, кому это удалось, по-видимому, обладали более высокой функциональной активностью. Кроме того, выяснилось, что в условиях микрогравитации время, необходимое для перехода от двухклеточного состояния к четырехклеточному и восьмиклеточному, значительно увеличивается по сравнению с нормальной гравитацией (p = 0,05).
Аналогичные наблюдения были сделаны и для сперматозоидов свиней. Как и у мышей, показатели оплодотворения были ниже в условиях микрогравитации, а количество клеток внутренней клеточной массы бластоцист было выше (p = 0,05), что привело к увеличению отношения внутренней клеточной массы к общему количеству клеток (p = 0,003) и снижению отношения трофэктодермы к общему числу клеток и к внутренней клеточной массе (p = 0,003).
В совокупности эти результаты показывают, что, хотя оплодотворение может происходить в условиях искусственной микрогравитации, движение сперматозоидов, эффективность оплодотворения и качество эмбрионов нарушаются. Способность некоторых сперматозоидов сохранять функциональность и формировать бластоцисту с высоким потенциалом развития позволяет предположить включение компенсаторных механизмов. В целом, это исследование показывает сложность репродуктивного процесса в условиях микрогравитации и его неоднозначную эффективность. Понимание молекулярной и механической чувствительности гамет и эмбрионов к изменению силы тяжести может послужить основой для преодоления найденных ограничений.
Пока человечество не нашло признаков жизни за пределами Земли, однако порой космос сам напоминает живой организм. Проверьте в нашем тесте, сможете ли вы отличить спутниковый снимок от среза человеческой ткани.