Mechanizmy navigace spermií

Souhrn

Cíl studie: Mechanizmy navigace spermií jsou důležité pro pochopení principů výběru spermií před fertilizací. Cílem práce je uvést přehled současných poznatků o fyziologickém procesu navigace spermií od ejakulace až po fertilizaci ovulovaného oocytu. Metodika: Literární rešerše, databáze PubMed publikované do června 2025 s termíny zaměřenými na „navigace spermií“ a „fertilizace“. Výsledky: Principy navigace spermií v in vivo prostředí jsou u člověka stále nejasné. V současné době existují na toto téma jak práce realizované na modelových zvířatech, tak také celá řada in vitro studií na lidských spermiích. Na základě těchto výstupů jsou popisovány tři hlavní navigační systémy: reotaxe, termotaxe a chemotaxe. Reotaxe působí na nejdelší vzdálenost a stimuluje pohyb spermií proti proudu tekutiny. Termotaxe působí na spermie na kratší vzdálenost a navádí je do míst s vyšší teplotou. Na nejkratší vzdálenost působí chemotaxe, která přitahuje kapacitované spermie do míst, kde se nachází ovulovaný oocyt. Závěr: Vzhledem k tomu, jak masivně je při léčbě lidské neplodnosti využívána technika mikroinjekce spermií, je důležité provést pečlivý výběr spermií před fertilizací. Znalosti principů výběru lidských spermií v in vivo podmínkách jsou klíčové pro efektivní výběr spermií v laboratoři.

Klíčová slova:

oocyt – spermie – navigace spermií – chemoatraktanty – fertilizace

Úvod

V ejakulátu zdravého muže jsou řádově stovky milionů spermií, během procesu oplození se jich k ovulovanému oocytu dostane pouze několik desítek, maximálně stovek [1]. Na úrovni vejcovodu a dělohy tak probíhá intenzivní separace spermií. Je to několikastupňový proces, který začíná těsně po ejakulaci už na úrovni krčku děložního. Přes tuto první bariéru nepřejde velké množství spermií. Všechny mrtvé, nebo nepohyblivé spermie, či spermie výrazně morfologicky abnormální se přes tuto bariéru nedostanou. Poté co spermie proniknou do dělohy, jsou fagocytovány leukocyty, které pronikají přes stěnu endometria. Teprve až spermie překonají tuto překážku, dostávají se do istmu oviduktu. Zde je pro ně optimální prostředí a mohou zde být jako v rezervoáru skladovány po delší dobu. Z tohoto místa poté ve vlnách postupují dál do vejcovodu, kde hledají ovulovaný oocyt. Spermie se do vejcovodu dostanou cca za 5–10 min od ejakulace. Ve vejcovodu probíhá kapacitace spermií a interakce spermií s epitelem. Motilita a chemotaktické chování spermií je ovlivněno přítomností folikulární tekutiny [2]. Na in vivo experimentech zvířat bylo zjištěno, že probíhají dvě fáze pohybu spermií: rychlá fáze (cca do 15 min) a pomalá fáze (několik hodin až dní). Po rychlé fázi jsou spermie ve vejcovodu navázané na istmický epitel a postupně jsou kapacitovány. Kapacitované spermie jsou senzitivní na termotaxi a chemotaxi, které aktivují jejich hyperaktivaci.

Mechanizmy selekce spermií

Po koitu cestují spermie ze semenné plazmy po jejím zkapalnění z kyselého prostředí vaginy do cervikálního hlenu. Struktura cervikálního hlenu pomáhá odstraňovat adsorbované molekuly a steroly z plazmatické membrány spermie. Leukocyty infiltrující cervikální hlen společně se spermiemi produkují kyslíkaté radikály, a spouští tak kapacitaci spermií. Pohyb spermií v cervikálním hlenu probíhá hlavně na úrovni intersticiálních prostor v mucinových micelách. Zmenšení těchto prostor vede ke snížené motilitě spermií. Během ovulace je cervikální hlen vysoce vodnatý a průchodnost pro spermie je nejvyšší. V postovulačním období se vylučuje hustší hlen, který tvoří bariéru a zabraňuje proniknutí spermií do dělohy. Cervikální hlen obsahuje prostaglandiny, které stimulují motilitu a penetrační schopnost spermií [3].

Celý proces navigace spermií od ejakulace až po ovulovaný oocyt řídí tři hlavní navigační systémy: dva aktivní a vysoce citlivé –⁠ chemotaxe, termotaxe –⁠ a jeden pasivní –⁠ reotaxe. Navigační dráhy mají svou lokalizaci, funkci a navzájem se doplňují. Pokud některý z těchto systémů není plně funkční, zřejmě to ostatní umí částečně kompenzovat.

Reotaxe

Jedním z hlavních orientačních mechanizmů v ženské reprodukční soustavě, který se uplatňuje především na počátku migrace spermií, je pozitivní reotaxe. Jedná se o pohyb proti proudu tekutiny. Po koitu se pod vlivem prolaktinu zvýší sekrece v epitelu vejcovodu, oviduktální sekret je poháněn řasinkami a svalovými kontrakcemi směrem do dělohy [4]. Nastává plynulý tok sekretů z vejcovodu do dělohy [5]. Když lidské spermie zaznamenají proudění tekutiny, přibližně polovina z nich (kapacitovaných i nekapacitovaných) reaguje a změní směr plavání tak, aby byl proti směru proudu [6]. Kapacitované spermie rotují kolem své osy rychleji než nekapacitované. Tato rotace podněcuje pohyb proti hlavnímu proudu a snižuje riziko zachycení spermií na oviduktálním epitelu. Při srovnání pacientů fertilních a pacientů neplodných (s nefunkčním CatSper kanálem) bylo zjištěno, že i u spermií neplodných pacientů přetrvává rolování i reotaxe. Tyto specifické pohyby jsou pravděpodobně umožněny pasivními biomechanickými a hydrodynamickými procesy [7]. Kapacitované spermie se však po hyperaktivaci dostanou mimo vlastní epitel oviduktu do hlavního proudu tekutiny. Jakmile se dostanou do hlavního proudu, obnoví se jejich původní rychlost rotace a dál pokračují lineárním pohybem proti směru toku tekutiny. Vyšší viskozita tekutiny aktivaci reotaxe inhibuje. Spermie vykazují mnohem efektivnější pohyby proti proudu, pokud se vyskytují ve shlucích. Individuálně plovoucí spermie nereaguje tak silně na pozitivní reotaxi [8].

Termotaxe

Termotaxe je vůči pohybům vejcovodu nezávislá, a působí tak na delší vzdálenost než chemotaxe. Spermie se umí pohybovat podél teplotního gradientu z chladnější oblasti do míst s vyšší teplotou. Lidské spermie jsou na změny teploty extrémně citlivé a dokáží vnímat velice nízké teplotní rozdíly [9]. Během ovulace je v místě rezervoáru spermií v istmické části vejcovodu nižší teplota (34,7 °C), a naopak v oblasti fertilizace oocytu je teplota zvýšená téměř o 2 °C (36,4 °C) [10]. Tento teplotní rozdíl je dostatečný pro tepelnou navigaci kapacitovaných spermií. Současná data naznačují, že existují dvě odlišné signální dráhy v reakci na změny teploty.

Vzhledem k tomu, jak je tento systém citlivý, je jasné, že se nejedná o jeden receptor, ale o celou skupinu receptorů. Hlavní termosenzory savčích spermií jsou opsiny, které ve zrakové dráze fungují jako fotosenzory. Nejčastěji jsou to u spermií opsin-2 (rhodopsin) a opsin-4 (melanopsin), které jsou především v ekvatoriální a v bazální části hlavičky spermie. Opsin-2 aktivuje dráhu transducin/cAMP a opsin-4 dráhu fosfolipázy C (PLC) [11]. Po aktivaci opsinu-2 nastává aktivace fosfodiesterázy vedoucí k regulaci hladiny cAMP. Změny koncentrace cAMP nepřímo regulují vstup Ca iontů do cytoplazmy. V druhé signální dráze opsin-4 aktivuje PLC, což vede k hydrolýze PIP2 (fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát) na IP3 (inositol 3-fosfát) a DAG (diacylglycerol). IP3 spouští uvolňování Ca z intracelulárních zdrojů a DAG stimuluje otevření kationtového kanálu TRPV1. U člověka se TRPV1 nachází jak u spermií, tak i ve varlatech. Slouží jako jeden z receptorů reagujících na teplotní fluktuace a zvyšuje motilitu ve směru teplotního gradientu [12]. Bylo zjištěno, že spermie vybrané termotaxí mají vyšší integritu DNA [13]. Navíc použití výběru spermií termotaxí před ICSI více než zdvojnásobilo počet narozených mláďat u myší [14].

Chemotaxe

Poprvé byl proces chemotaxe gamet pozorován již v roce 1884 u kapradin [15]. U zvířat byl poprvé objeven u ježovek Arbacia punctulata v roce 1912 [16]. U živočichů s vnějším oplozením, jako jsou ryby či obojživelníci, je tento systém zásadní, aby spermie dokázaly rozpoznat a najít vajíčka. Toho je dosaženo zpravidla pomocí ligandů vylučovaných vajíčkem, které navádí spermie směrem k oocytu. U lidí a zvířat s vnitřním oplozením byla v minulosti chemotaxe považována za zbytečnou vzhledem ke skutečnosti, že je relativně velké množství spermií ejakulováno do malého prostoru. V případě savců má však chemotaxe také velký význam. Poprvé byla chemotaxe u lidských spermií pozorována při použití lidské folikulární tekutiny [17]. U lidských spermií chemotaxe v porovnání s termo -⁠ či reotaxí působí pouze na krátkou vzdálenost od oocytu z důvodu peristaltické činnosti vejcovodů. Kapacitované spermie tedy reagují silněji nejprve na termotaxi a později na chemotaxi [18]. Chemoatraktanty produkované v ženské pohlavní soustavě (kumulární buňky, oocyt) podněcují pohyb spermie směrem k oocytu (obr. 1). Na povrchu plazmatické membrány spermií se nacházejí specifické receptory senzitivní na tyto uvolňované chemoatraktanty.

Čichové receptory na povrchu spermií

Čichové receptory, které se běžně vyskytují na membráně čichových neuronů na nosní sliznici, jsou i v jiných tkáních, jako je srdeční tkáň, slezina či varlata. Na spermiích bylo identifikováno více než 20 různých čichových receptorů, které hrají různé role v různých fázích pohybu spermie (rychlost, síla a směr). U zralých spermií byl detekován např. receptor hOR17-4 (někdy nazývaný OR1D2), který je lokalizován primárně v čichovém epitelu [19], nebo mOR23 (nazývaný také mOR267-13). Oba tyto receptory mohou ovlivnit pohyb spermie [20]. Mechanizmus tohoto děje je založen na vazbě chemoatraktantu na receptor, což způsobí v případě hOR17-4 receptoru aktivaci guanylylcyklázy, a to vede k rychlému zvýšení cGMP a následně cAMP (v důsledku aktivace adenylylcyklázy na membráně bičíků). Zvýšení cAMP otevírá CatSper kanál, který způsobí příliv Ca iontů, jež spouští kaskádu dějů vedoucích ke kontrakci motorického proteinu dyneinu a následný pohyb bičíku [21]. Nicméně přítomnost několika receptorů na membráně spermií a jejich aktivace na příslušné ligandy naznačuje, že spermie jsou vybaveny několika cestami aktivace signálu, které se doplňují či jsou aktivovány odlišně tak, aby zprostředkovaly chemotaxi ve spermiích i v různých oblastech pohlavní soustavy. Přestože to není zcela jasně prokázáno, zdá se, že je identická receptorová reakce jak v čichové tkáni, tak také ve spermiích. Bylo by zajímavé zjistit, zda by se případné polymorfizmy genu kódujího tyto receptory projevily jak v modifikovaném čichovém vnímání vonných chemoatraktantů (např. burgeonalu), tak také v defektním pohybu spermií. Pokud by existovala závislost mezi těmito ději, pak by mohl v budoucnu být čichový test jedním z prostředků detekce poruchy procesu aktivace spermií [22].

Chemoatraktanty

Existuje celá řada látek, které přitahují spermie. Tyto látky jsou označovány jako spermatické chemoatraktanty. Často jsou to látky obsažené ve folikulární tekutině či látky produkované oocytem a kumulárními buňkami obklopujícími oocyt. Není jasné, zda chemoatraktanty produkované oocyty jsou stejné jako ty, které jsou produkovány kumulárními buňkami, ale zdá se, že jsou to jiné látky. Je pravděpodobné, že se jedná o dvoustupňový proces, a poté co jsou spermie navedeny ke kumulárním buňkám, jsou následně navigovány přes masu kumulárních buněk až k oocytu.

Přestože byl v minulosti přikládán velký význam složení folikulární tekutiny pro chemotaxi spermií [23], v současné době bývá zvažován především vliv chemoatraktantů produkovaných z oocytů a kumulárních buněk [24]. Chemoatraktanty obsažené ve folikulární tekutině pravděpodobně nejsou tak významné. Ovulovaná folikulární tekutina jednak představuje velice malou frakci (cca 1 % objemu oviduktální tekutiny) a také proto, že pokud skutečně je chemotaxe důležitá, je zásadní, aby byl gradient koncentrace těchto látek přítomen po delší čas po ovulaci, než dojde k fertilizaci oocytu. To může být u člověka i 24 hod po ovulaci [25]. Jediné uvolnění chemoatraktantů by neudrželo gradient po tak dlouhou dobu. Je potřeba dostatečné produkce chemoatraktantů po delší časové období a jednorázové uvolnění tekutiny z folikulu nestačí.

Chemoatraktanty podporují hyperaktivitu spermií a zlepšují jejich motilitu [26]. Mezi chemoatraktivní látky obsažené ve folikulární tekutině se řadí progesteron, atriální natriuretický peptid (ANP), chemokiny a další látky. Některé chemoatraktanty jsou druhově specifické a jiné zcela běžné se širokou distribucí mezi druhy (např. progesteron). Proto se zdá, že u savců nemá chemotaxe výraznou druhovou specifičnost [27]. Bylo zjištěno, že existuje několik stupňů chemotaxe, které ovlivňují pohyb spermií na jejich dlouhé cestě k vajíčku. Jen pouze malá část spermií, které se dostanou až do okolí ovulovaného oocytu, je citlivá na specifickou chemotaxi navádějící spermie přímo k oocytu.

Progesteron

Progesteron byl prvním identifikovatelným chemoatraktantem lidských spermií, který je efektivní při velmi nízkých koncentracích [28]. Progesteron je druhově nespecifický chemoatraktant, který působí jak na lidské spermie, tak také na spermie celé řady živočichů (králík, skot, kůň, myš) [1]. Kromě žlutého tělíska jej produkují také kumulární buňky obklopující oocyt. Tak se uvolňuje do folikulární tekutiny, která má schopnost přitahovat a akumulovat spermie [23]. Progesteron byl v minulosti považován za jediný chemoatraktant pro spermie. Nicméně není jediný a bylo experimentálně zjištěno, že když byl progesteron z folikulární tekutiny odstraněn, spermie stále vykazovaly známky chemotaxe [29]. Folikulární buňky obklopující ovulovaný oocyt vytváří stabilní koncentrační gradient progesteronu navádějící spermie. Chemotaxe spermií indukovaná progesteronem nastává pouze při nízkých koncentracích (1–100 pM) [28], vysoké koncentrace nemusí iniciovat žádnou reakci pohybu spermií, a navíc mohou předčasně indukovat akrozomovou reakci [30]. Progesteron při nižších koncentracích způsobuje u kapacitovaných spermií postupný nárůst intracelulárního vápníku s pomalými vápníkovými oscilacemi v krčku spermie, které mění pohyby bičíku [31].

Během chemotaxe se progesteron váže na membránové receptory na povrchu spermie. Protože jsou spermie transkripčně tiché buňky, nepůsobí progesteron u spermií přes nukleární receptory, jako je tomu u somatických buněk [32], ale aktivuje endokanabinoidní receptor ABHD2 (a/b hydrolase domain-containing protein 2). Tento receptor po navázání progesteronu degraduje endokanabinoid 2-arachydonoylglycerol (2AG), na který je bohatá membrána spermie. 2AG inhibuje CatSper kanál a degradace 2AG zvýší fluiditu membrány a dojde k plnému otevření kanálu CatSper [33]. Současně po vazbě progesteronu na receptor dochází k aktivaci transmembránové adenylátcyklázy a k následnému zvýšení koncentrace cAMP vedoucí k aktivaci protien kinázy A (PKA). Aktivace PKA způsobuje uvolnění Ca iontů přes inositoltrifosfátové receptory a zvýšená hladina Ca²⁺ následně umožní příliv Ca²⁺ i z extracelulárního prostředí [9].

Druhou teorií, jak progesteron ovlivňuje spermie, je přímá aktivace CatSper kanálu. CatSper jsou vápníkové kanály specifické pro spermie, které se nacházejí na hlavní části bičíku [34]. Tyto kanály společně s receptory ABHD2 a CCR6, (který se nachází na bičíku spermie) [35] tvoří důležitý mechanizmus, který v reakci na progesteron umožní příliv vápníku, jenž je klíčový pro nastartování hyperaktivace a později i akrozomové reakce [36]. Progesteron tento kanál aktivuje pravděpodobně přes receptor úzce spojený s CatSper kanálem [36].

Acetylcholin

Acetylcholin (ACh) je neurotransmiter syntetizovaný v cholinergních presynaptických neuronech z cholinu a acetyl-koenzymu A pomocí enzymu cholin-acetyltransferázy. Na synapsi neuronů se ACh uvolňuje do synaptické štěrbiny a aktivuje receptory na postsynaptické buňce. Tyto receptory mohou být nikotinové, nebo muskarinové [37]. Nicméně kromě nervového ACh existuje ne-neurální ACh, který se syntetizuje mimo neurony (např. buňky epiteliální, mezoteliální, endoteliální či buňky imunitního systému). Ne-neurální ACh hraje roli ve vzájemné komunikaci sousedních buněk. Prostřednictvím parakrinního nebo autokrinního přenosu signálů může ovlivňovat proliferaci, diferenciaci a pohyb buněk či spermií [38].

Pro ověření efektu ACh na spermie byly provedeny testy chemotaxe, které prokázaly, že nízké hladiny ACh zvyšují migraci myších spermií [39]. Spermie reagují na ACh pravděpodobně cestou vazby ACh na muskarinové receptory na hlavičce spermie a nikotinové receptory na bičíku a postakrozomální oblasti spermie [40]. Enzym cholin-acetyltransferáza byl nalezen v granulózových buňkách antrálních folikulů a byla také detekována přítomnost samotného ACh v granulózových buňkách preovulačních folikulů [41]. ACh tedy může být přirozenou součástí folikulární tekutiny, která se po ovulaci uvolňuje do vejcovodu, kde může působit chemotaxi spermií. Kromě vlivu na chemotaxi spermií bylo zjištěno, že ACh může cestou aktivace podjednotky a7 nikotinového receptoru ovlivňovat i akrozomovou reakci během fertilizace [42].

Atriální natriuretický peptid

Atriální natriuretický peptid je polypeptidový hormon produkovaný v kardiomyocytech srdečních síní jako odpověď na jejich protažení způsobené vyšším tlakem krve. ANP se váže na natriuretický peptidový receptor na spermiích (NPR-A) [43], který aktivuje guanylátcyklázu vedoucí k produkci cGMP a aktivaci cGMP-dependentní proteinkinázy (PKG). Aktivace PKG signální dráhy vede k aktivaci pohybu spermií a indukci akrozomální reakce [44]. Bylo zjištěno, že ANP je přítomen ve folikulární tekutině [45]. Chemotaxe spermií vůči ANP byla prokázána in vitro pomocí metody akumulace spermií v kapilárách a výběrovými testy [44,46]. Chemotaxe na spermie působí pouze za přítomnosti inhibitoru neutrální endopeptidázy (NEP), neboť NEP se vyskytuje v ejakulátu a způsobuje degradaci ANP. I po promytí spermií NEP je stále aktivní a musí se v in vitro podmínkách ke spermiím přidat NEP inhibitor, aby nedošlo k degradaci ANP [44].

Burgeonal

Bourgeonal je aromatická látka obsahující aldehydovou skupinu vyznačující se svou květinovou vůní (voní jako konvalinka). Přestože se v lidském organizmu přirozeně nevyskytuje, experimenty odhalily, že se jedná o účinného agonistu odorantního (čichového) receptoru hOR17-4, který se nachází na spermiích. Bylo zjištěno, že tento receptor hraje roli v chemotaxi spermií [47].

Tento receptor patří do skupiny receptorů s vazbou na G-proteiny a chemotaxe probíhá prostřednictvím cAMP-signální dráhy. Po navázání bourgeonalu na receptor OR1D2 dochází k aktivaci Golf, což je podtyp stimulačního G-proteinu, který je umístěn ve střední části bičíku. Golf aktivuje membránovou adenylátcyklázu vedoucí k produkci cAMP a vzestupu koncentrací vápníku. To iniciuje asymetrické kmitání bičíku a následně změnu směru pohybu spermie [48].

Ačkoli se bourgeonal v reprodukční soustavě nevyskytuje, je možné, že existují látky strukturně podobné bourgeonalu, které se v ženské pohlavní soustavě přirozeně vyskytují. Tyto látky mohou po vazbě na odorantní receptory způsobit chemotaxi.

β-defensin 119

Defensiny jsou antimikrobiální peptidy, které jsou produkovány epiteliálními buňkami nebo leukocyty, jsou součástí vrozené imunity [49]. K expresi těchto látek, především b-defensinů, dochází v epitelu mužské i ženské pohlavní soustavy a zdá se, že mají vliv i na lidskou plodnost [50,51]. Jako chemoatraktant byl identifikován b-defensin 119 (DEFB119), který je produkován v epitelech ženské pohlavní soustavy a také komplexem oocyt-kumulární buňky. Tento defensin působí jako přirozený chemoatraktant, protože vyvolává influx vápníku přes vazbu na CCR6 receptor a aktivaci CatSper kanálů, a spouští tak mobilizaci spermií [35,52]. Bylo zjištěno, že u žen z párů s idiopatickou neplodností byla hladina DEFB119 ve folikulární tekutině výrazně nižší než u žen z neplodných párů, kde byl mužský faktor neplodnosti. Dokonce byly nalezeny mutace genu DEFB119 pouze u žen z párů s idiopatickou neplodností a ne u žen z párů s diagnostikovaným mužským faktorem neplodnosti [52]. Přestože se systémy navigace navzájem zpravidla doplňují a narušení jednoho může být kompenzováno jiným systémem, v případě DEFB119 se zdá, že narušení této dráhy je dostatečné k tomu, aby došlo u žen k neplodnosti [52].

Chemokiny

Chemokiny neboli chemotaktické cytokiny jsou signální látky, které řídí pohyb buněk imunitního systému například při zánětech. Patří sem malé proteiny (8-11 kDa) podobné cytokinům. Vazba chemokinů na receptory cílových buněk aktivuje signální dráhy vedoucí k přeskupení, změně tvaru a pohybu buněk [53].

CCL20

CCL20 je chemokinem fungujícím také jako chemoatraktant lidských spermií [54]. Ligandy CCL20 nalezené ve folikulární tekutině jsou produkovány granulózními buňkami i oocytem a váží se na CCR6 receptory na spermiích a regulují jejich pohyb [54,55]. Byla zjištěna pozitivní korelace mezi detekcí CCR6 receptorů na spermiích a progresivní motilitou, morfologií a vitalitou lidských spermií. U mužů se sníženou plodností a u mužů s orchiektomií byl zjištěn výrazně nižší podíl spermií s CCR6 receptory. Navíc spermie mužů s chronickou orchiektitidou nereagovaly na přítomnost CCL20 [54].

RANTES (regulated upon activation, normal T-cell expressed and secreted)

Patří do skupiny C-C chemokinů, která se vyznačuje dvěma cysteinovými zbytky blízko sebe, proto bývá někdy označován jako CCL5. RANTES působí jako důležitý chemoatraktant imunitních buněk, jako jsou eozinofily, monocyty a T-lymfocyty [56]. RANTES je produkován buňkami granulózy a je přítomen ve folikulární tekutině. Zároveň byla jeho přítomnost potvrzena v seminální plazmě [57]. RANTES má výrazný chemotaktický efekt na lidské spermie. Na spermiích byly identifikovány receptory pro RANTES označované jako CCR1 a CCR5 [58].

Spermatické chemorepelenty

Kromě toho, že existují látky, které přitahují spermie k vajíčku, existují také specifické látky, které spermie odpuzují. Tento mechanizmus se aktivuje po oplození. Odpuzování spermií funguje jako jeden z mechanizmů zabraňujících polyspermickému oplození oocytů. Významnou úlohu v tomto procesu mají Zn²⁺ ionty, které se uvolňují z oocytu těsně po oplození. Na tyto chemorepelentní látky jsou citlivé pouze kapacitované spermie. Zn²⁺ ionty samy o sobě mají chemorepelentní efekt na spermie. Navíc se zdá, že Zn²⁺ uvolňovaný z oocytu nejenže odpuzuje spermie, aby nedošlo k další penetraci, ale zároveň mění progesteron uvolňovaný kumulárními buňkami, který poté spermie nepřitahuje, ale odpuzuje (obr. 2) [59].

In vivo navigace spermií člověka

U člověka byly navigační mechanizmy experimentálně prezentovány pouze v podmínkách in vitro. Vzhledem k tomu, že zatím nejsou dostupné nástroje pro vizualizaci situace in vivo, máme pouze nepřímé důkazy o mechanizmu navádění spermií u člověka. Aktuálně máme přímé důkazy o reakci lidských spermií na specifické látky v in vitro prostředí a také máme důkazy o přítomnosti těchto látek v ženském pohlavním traktu. Tyto znalosti jsou doplňovány experimenty realizovanými na experimentálních modelech. Například na laboratorních myších bylo zjištěno, že zabránění vstupu ovulovaného vajíčka do vejcovodu jeho podvázáním výrazně snížilo počet spermií vstupujících do vejcovodu. U myší knockoutovaným genem pro DEFB19 došlo ke snížení nejen počtu spermií ve vejcovodu, ale také počtu implantovaných embryí v děloze. Když byly kumulární buňky těchto myší kultivovány in vitro, bylo jejich médium mnohem méně chemoatraktivní pro spermie než médium, v němž byly kultivovány kumulární buňky normálních myší [52].

Pro mechanizmy navigace spermií je velice důležité, zda jsou spermie kapacitovány. Pouze kapacitované spermie (cca 10 % všech spermií ve vejcovodu) reagují na chemotaxi a termotaxi [1]. Jakmile spermie přestane být kapacitována, ztrácí schopnost reakce na tyto podněty. Kapacitovaný stav spermií trvá 1–4 hod v in vitro podmínkách a spermie jsou kapacitovány v různou dobu, což vede ke konstantnímu množství kapacitovaných spermií. Tento systém neustále udržuje ustálenou hladinu kapacitovaných spermií na cca 10 % populace [60]. Kontinuální nahrazování spermií prodělaných kapacitaci prodlužuje jejich oplození schopnou přítomnost v pohlavním traktu, a tím prodlužuje časové okno potenciálního početí v každém menstruačním cyklu. Tento mechanizmus kompenzuje nedostatečnou synchronizaci mezi inseminací a ovulací. Během kapacitace dochází k celé řadě změn a mimo jiné také nastává vnější expozice chemotaxních receptorů včetně receptoru CCR6 [36]. Kapacitované spermie jsou poté citlivé na termo -⁠ a chemotaxi.

Hlavní mechanizmus chemotaxe spermií

Chemotaxe je zprostředkována přes aktivaci specifických receptorů (CCR6, odorantní receptory, ABHD2) na povrchu spermie, což vede k aktivaci signální dráhy ve finále způsobující zvýšení koncentrace cAMP a přílivu Ca iontů do cytoplazmy a zvýšení motility spermií [61]. Chemoatraktanty spermií často aktivují receptory identifikované jako guanylátcykláza transmembránového typu [62]. Dochází k aktivaci guanylátcyklázy a indukci hyperpolarizace membránového potenciálu přílivem K⁺ prostřednictvím cGMP aktivovaných K⁺ kanálů. Změny membránového potenciálu zvyšují intracelulární pH, hladiny Ca²⁺ a cAMP [63]. V případě progesteronu by mohla vazba na jeho receptor aktivovat transmembránovou adenylátcyklázu způsobující zvýšení hladiny cAMP vedoucí k aktivaci fosfokinázy A, fosforylaci tyrosinu a uvolnění Ca²⁺ z intracelulárních zdrojů přes IP3 receptory. Následně dojde k přílivu Ca iontů i z extracelulárního prostředí a aktivaci guanylátcyklázy vedoucí ke zvýšení hladiny cGMP a aktivaci protein kinázy G a současně k přílivu vápníkových iontů skrz Ca kanály [9].

Je znám jasný vztah mezi pohybem spermie a koncentrací Ca²⁺, existuje silná korelace mezi pohyby bičíku a koncentrací Ca²⁺ v médiu. Zdá se, že Ca²⁺ kolísá během chemotaxe spermií a vysoká hladina Ca iontů indukuje kontrakce bičíku s asymetrickým a symetrickým ohýbáním a zvýšením frekvence ohýbání [64].

Jak probíhá navigace spermií?

Spermie se po ejakulaci dostávají do dělohy pomocí reotaxe až do oblasti istmu vejcovodu jako hlavní zásobárny spermií. Tento proces je podporován koordinovanými kontrakcemi pochvy a dělohy. Zdá se, že všechny tři navigační systémy jsou funkční ve vejcovodu. Poté co se spermie dostanou do istmu vejcovodu, jsou různé subpopulace kapacitovány v různém časovém období. Kapacitované spermie nejprve zaznamenají změnu teploty závislou na ovulaci a pomocí termotaxe se aktivně dostávají do místa, kde je ovulovaný oocyt [1]. Pasivně je tento pohyb regulován reotaxí, která navádí spermie proti toku tekutiny vejcovodu. V blízkosti ovulovaného oocytu se začíná více uplatňovat chemotaxe, která nejprve přitahuje spermie ke kumulárním buňkám a později přitahuje spermie přímo k oocytu. Lidské spermie vnímají změny intenzity signálů v časových intervalech více než v prostorových vzdálenostech. Pohyb spermií by se dal shrnout ve schéma pokus-omyl. Kapacitované spermie vykazují epizody hyperaktivace, během nichž dochází k náhlým změnám směru pohybu, a poté plavou novým směrem [65]. Pokud se po těchto opakujících se epizodách dostanou až do těsného okolí ovulovaného oocytu, dostávají se v další epizodě hyperaktivace pod vlivem chemotaxe do těsného kontaktu s kumulárními buňkami. Po tomto kontaktu nastává proces akrozomové reakce a uvolnění akrozomálních enzymů a pronikání spermií přes vrstvu kumulárních buněk až k zona pellucida oocytu. Jakmile spermie pronikne do vajíčka přes zona pellucida, proběhne kortikální reakce, změny v asociačním proteinu Juno na membráně oocytu a také jsou vylučovány Zn²⁺ ionty (nejvíce během prvních 2 min od fertilizace) [66], které odpuzují ostatní spermie.

Kryptická samičí volba

Kromě navádění spermií k vajíčku je funkcí navigačních systémů také selekce spermií vhodných pro fertilizaci. Prvním krokem této selekce je skutečnost, že jsou k vajíčku přitahovány pouze kapacitované spermie [60]. Nicméně existují také mechanizmy, které selektují spermie od různých samců.

V živočišné říši je běžné, že se samice páří v reprodukční periodě s několika samci v krátkém časovém období (polyandrické druhy). V těchto situacích nastává soutěž spermií soupeřících samců o oplodnění vajíček. Vícenásobné páření tak umožňuje samicím ovlivnit otcovství i po páření. Tento proces je označován jako kryptická samičí volba [67]. Přestože je tento systém sledován již několik desetiletí, stále se o něm ví velice málo a detailně nejsou známé ani základní mechanizmy tohoto procesu. Na cestě spermií k vajíčku může fúzi gamet ovlivnit celá řada faktorů, jako je transport spermií, skladování spermií ve vejcovodu, uvolněné chemoatraktanty a molekulární interakce mezi gametami během samotného oplodnění. Bylo zjištěno, že chemické složení cervikálního hlenu se podílí na výběru spermií a že snadněji přes hlen pronikají spermie imunokompatibilních mužů s odlišnými HLA (human leukocyt antigen) genotypy, než měly ženy, které poskytly cervikální hlen [68]. V minulosti byl sledován vliv folikulární tekutiny jako chemoatraktantu na spermie u párů IVF. Byl analyzován vliv folikulární tekutiny na spermie pacienta z neplodného páru a byla použita folikulární tekutina dvou žen: partnerky pacienta a cizí ženy z jiného neplodného páru. V experimentech bylo zjištěno, že při vystavení spermií prostředí, kde je folikulární tekutina různých žen, dochází k přednostnímu přitahování spermií k folikulární tekutině jedné ženy až o 40 % více nezávisle na tom, zda se jednalo o partnera pacientky, nebo ne [69]. Vzhledem k tomu, jak výrazně se snižuje počet spermií v pohlavní soustavě po kopulaci a že pouze malá část kapacitovaných spermií, které se dostanou do okolí ovulovaného oocytu, je citlivá na chemoatraktanty [70], se zdá, že schopnost chemoatraktantů diferencovaně rekrutovat spermie od různých samců by mohla skutečně hrát roli i v procesu kryptické samičí volby savců.

Závěr

Proces navigace spermií je komplexní systém a má za sebou dlouhý vývoj. Přestože u organizmů s vnitřním oplozením je mechanizmus navigace spermií zdánlivě mnohem jednodušší než v případě vnějšího oplození, je to velice komplexní děj i u savců. V případě člověka existuje zatím velice málo informací o tom, jak tento proces probíhá v in vivo prostředí. Objasnění těchto principů může přinést řadu zajímavých informací, které mohou zefektivnit jak diagnostiku příčin neplodnosti, tak také vlastní proces terapie neplodnosti. Ejakulát obsahuje velice heterogenní směs různých subpopulací spermií, které se liší epigenomy i kvalitou DNA. Spermie v pohlavní soustavě ženy jsou naváděny signály chemoatraktantů, dochází zde k indukci kapacitace, akrozomální reakce a v tomto prostředí jsou zmírňovány následky stárnutí spermií. Nachází se zde také obrovské množství extracelulárních vezikul obsahujících bioaktivní látky (mRNA, proteiny, lipidy) ovlivňující spermie. Úloha samičí pohlavní soustavy při výběru spermií by proto neměla být podceňována. Současné techniky asistované reprodukce však tento model zcela obcházejí, což může vést k tomu, že nejsou dokonale vyloučeny nevhodné spermie z oplozování. Vzhledem k tomu, jak masivně se při léčbě lidské neplodnosti používají techniky fertilizace oocytů mikroinjekcí, je důležité provést co nejlepší výběr spermií na základě znalostí přirozených mechanizmů selekce spermií.