BS. Phan Thị Thanh Thảo, BS. Nguyễn Thành Nam, BS. Hồ Ngọc Anh Vũ
IVFMD - Bệnh viện Mỹ Đức

1.     Giới thiệu
Công nghệ Nano là một trong những công nghệ tiên tiến bậc nhất được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học - kỹ thuật, đặc biệt có nhiều ứng dụng đáng chú ý trong y sinh học ở những năm gần đây. Nhiều nhà khoa học đã và đang thực hiện các công trình nghiên cứu liên quan đến ứng dụng công nghệ Nano nhằm nâng cao chất lượng tinh trùng trong hỗ trợ sinh sản, cải thiện khả năng sinh sản ở nam giới. Bài viết này đề cập đến lợi ích cũng như ảnh hưởng của các loại vật liệu nano trên hệ sinh sản nam và chức năng tinh trùng, liên quan đến bản chất hóa học cũng như các đặc tính sinh học của các vật liệu nano được ứng dụng trong công nghệ hỗ trợ sinh sản nam.
Công nghệ Nano lần đầu được nhắc đến trong bài diễn thuyết “There's plenty of room at the bottom” trong cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ năm 1959 tại Caltech, là đứa con tinh thần của Richard Feynman, người đoạt giải Nobel vật lý năm 1965. Ông cũng là người đã trình bày về vấn đề thao tác và kiểm soát vật chất ở cấp độ nguyên tử (Hulla và cs., 2015). Định nghĩa công nghệ Nano theo Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia Hoa Kỳ (US National Nanotechnology Initiative- NNI) là “Một ngành khoa học, kỹ thuật và công nghệ được thực hiện ở kích thước nano, có khả năng điều khiển và tái cấu trúc vật chất ở cấp độ phân tử và nguyên tử trong kích thước từ 1 nm đến 100 nm”. Mục đích là để tạo ra các vật liệu, các thiết bị và hệ thống với các đặc tính và chức năng cơ bản mới bằng cách thiết kế các cấu trúc nhỏ bé của chúng.

Một số ứng dụng của công nghệ Nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong chuyên ngành hỗ trợ sinh sản nam là khả năng chống các tác nhân oxy hóa trong quá trình làm lạnh và trữ đông tinh trùng, ứng dụng trong quy trình lọc rửa tinh trùng, vận chuyển tinh trùng và điều trị viêm nhiễm sinh dục.

2.     Công nghệ Nano ứng dụng trong lọc rửa tinh trùng
Trong hỗ trợ sinh sản, nhiều yếu tố trong quy trình xử lý, lọc rửa có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng tinh trùng, do đó công nghệ Nano đã được thực nghiệm trên động vật nhằm khắc phục những hạn chế này với mong muốn đạt được những kết cục sinh sản in-vivo và in-vitro tốt hơn. Với kích thước nhỏ cùng khả năng tích điện cũng như tính bám dính bề mặt, các hạt nano đã góp phần tối ưu hóa quá trình lọc rửa tế bào tinh trùng bằng từ tính. Từ đó, đã có phương pháp lọc rửa tinh trùng mới dựa trên sự phát triển của các kỹ thuật nhắm trúng đích liên quan đến các dấu ấn sinh học về chất lượng tinh trùng, chẳng hạn như các khiếm khuyết trong màng acrosome và tế bào chất hoặc sự hiện diện của ubiquitin trên bề mặt tinh trùng. Hạt nano từ tính được phủ chất thăm dò gắn đặc hiệu với các dấu ấn sinh học (PNA/PSA lectin- lectin ngưng kết tố từ đậu hà lan, annexin, kháng thể kháng ubiquitin) được sử dụng thành công trong loại bỏ tinh trùng khiếm khuyết bằng cách tiếp xúc với từ trường (MACS). Cụ thể Nano-sắt từ oxit (Nano-Fe₃O₄) được biết đến với tính chất từ tính, có tính tương thích sinh học và chức năng sinh học cao, có thể liên hợp với PNA/PSA lectin để tạo thành liên kết có chọn lọc với glycan trên các acrosome phản ứng, hoặc với các kháng thể kháng ubiquitin. Với khả năng gắn đặc hiệu trên màng tế bào tinh trùng khiếm khuyết, Nano-Fe₃O₄ được sử dụng như màng lọc nano lọc tinh trùng, đã được chứng minh là làm tăng tỷ lệ thụ thai khi thử nghiệm thụ tinh nhân tạo trên bò. Tương tự, Nano-Fe₃O₄ phủ PNA/PSA lectin cũng được sử dụng như màng lọc nano chọn lọc hiệu quả quần thể tinh trùng có khả năng sống sót và khả năng di động cao. Ưu điểm của phương pháp này là không đòi hỏi số lượng tinh dịch lớn hay cần nhiều nhân lực, thời gian thực hiện ngắn (khoảng 1 giờ) và chi phí thấp mà không cần nhiều thiết bị phức tạp (Feugang, 2017). Việc loại bỏ tinh trùng chết có ý nghĩa quan trọng đến khả năng di động và tính toàn vẹn màng tế bào của tinh trùng sống vì tinh trùng chết kích hoạt hoạt động của amino acid oxidase, chất này chuyển hóa thành peroxide, gây độc cho quần thể tinh trùng sống xung quanh (Brinsko và cs., 2003). Với những tính năng lọc ưu thế này, công nghệ Nano nên được khuyến khích đưa vào các quy trình thường quy để chọn lọc quần thể tinh trùng có chất lượng cao. Một ứng dụng tiềm năng khác của công nghệ Nano đã được Farini và cộng sự (2016) đề xuất để chọn lọc tinh trùng là kỹ thuật Cell-SELEX (Farini và cs., 2016). Trong phương pháp này, các hạt nano siêu thuận từ được phủ avidin (SPION) liên kết chọn lọc với các ADN aptamer tổng hợp (đoạn ADN có khả năng liên kết với một phân tử đích đặc hiệu với ái lực cao) trên những tinh trùng bị tổn thương màng tế bào. Các hạt nano từ tính này trước đây đã được chứng minh là không ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của tinh trùng hoặc phản ứng acrosome. Việc loại bỏ tinh trùng bị hư hỏng bằng hệ thống aptamer/SPION đã cải thiện đáng kể chất lượng tinh dịch, về tỷ lệ tế bào sống sót và không ảnh hưởng đến phát triển của phôi (Farini và cs., 2016).

Gần đây các hạt nano cũng đã được đề xuất thay thế cho chất nhuộm huỳnh quang và kỹ thuật đếm tế bào dòng chảy nhằm phân loại tinh trùng và trình tự ADN đích đặc hiệu. Việc sử dụng các hạt nano như dấu ấn ADN đem lại nhiều hiệu quả. Trên các thực nghiệm ở bò, nano vàng liên hợp sinh học được sử dụng thành công như một công cụ đánh dấu các vị trí cụ thể trên nhiễm sắc thể Y. Trong tương lai, sự phát triển của các mẫu dò nano đặc hiệu sẽ cung cấp các công cụ quý giá để phân loại tinh trùng, thay thế cho kỹ thuật đếm tế bào dòng chảy (Falchi và cs., 2018).

3.     Công nghệ Nano ứng dụng trong chống oxy hóa, bảo vệ chức năng tinh trùng
Phương pháp bảo quản lạnh và trữ đông tinh trùng là một bước tiến mới để bảo tồn khả năng sinh sản nam. Tuy nhiên, quá trình làm lạnh làm tăng sản sinh các gốc oxy hóa (Reactive oxygen species- ROS) và hình thành tinh thể băng, phá hủy màng tế bào và tính toàn vẹn ADN tinh trùng (Lemma, 2011). Stress oxy hóa xảy ra khi nồng độ các gốc oxy hóa tăng quá cao. Các gốc oxy hóa có nhiều tác động đến khả năng sinh sản nam. Nồng độ các gốc oxy hóa thấp có vai trò quan trò quan trọng đến chức năng bình thường của tinh trùng, tuy nhiên nồng độ cao gây phản ứng oxy hóa phá hủy tinh trùng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng sinh sản. Duy trì nồng độ các gốc oxy hóa ở ngưỡng sinh lý rất quan trọng nhằm bảo tồn cấu trúc và tính toàn vẹn chức năng của tinh trùng. Tăng stress oxy hóa gây ra sự biến đổi tính chất của tinh dịch, gây peroxy hóa lipid của màng tế bào tinh trùng làm khiến chúng giảm hoạt động và bị thay đổi cấu trúc các protein thiết yếu. Ngoài ra, các gốc oxy hóa còn kích hoạt quá trình chết theo chương trình của tinh trùng cũng như hủy hoại các protein trên bề mặt tinh trùng, tạo thành tinh trùng dị dạng và gây phân mảnh tinh trùng, dẫn đến giảm khả năng sinh sản (Arafa và cs., 2020). Nghiên cứu của Moridi và cộng sự năm 2018 cho biết hạt Nano Cerium oxit (Nano-CeO₂-CENPs) có khả năng tạo oxy và khử gốc oxy hóa tự do, bảo vệ tinh trùng trong quá trình làm lạnh. CeO₂ tồn tại ở 2 dạng Ce³⁺ và Ce⁴⁺. Hoạt động chống oxy hóa dựa trên tỷ lệ Ce³⁺/ Ce⁴⁺ trong bề mặt cấu trúc hạt Nano-CeO₂: Ce⁴⁺ khử H₂O₂ tạo thành Ce³⁺ và O₂, tính chất tương tự các enzyme oxy hóa (peroxydase, catalase), loại bỏ oxit nitric, hydroxyl (Moridi và cs., 2018). Khi thực hiện các thử nghiệm ở cừu, bổ sung Nano-CeO₂ vào môi trường trữ đông tinh trùng đã cải thiện tính di động từ sau 48 giờ lên đến 96 giờ sau trữ đông, tốc độ của tế bào tinh trùng tăng (Falchi, Galleri và cs., 2018). CeNPs cũng có tác dụng bảo vệ sự toàn vẹn màng tế bào và ADN của tinh trùng, rất hữu dụng để bảo vệ chức năng tinh trùng trong bảo quản lạnh và trữ đông (Falchi và cs., 2018).

Tương tự, Nano-Selenium (SeNPs) cũng có tác dụng chống oxy hóa ở tinh trùng. Khi thực nghiệm trên gà trống, bổ sung SeNPs vào môi trường trữ lạnh tinh trùng có thể cải thiện chất lượng tinh trùng sau rã đông, giảm mức độ oxy hóa trong tinh dịch (Safa và cs., 2016). Ngoài ra, bổ sung SeNPs đường uống cũng có tác dụng bảo vệ chất lượng tinh trùng (độ di động, sự toàn vẹn ADN), có hiệu quả trong tăng hoạt động các enzyme chống oxy hóa (GSH-Px, SOD, CAT) và chất lượng tinh trùng khi so sánh với các dạng tồn tại khác của selenium (muối natri selenite hoặc men selen) (Falchi và cs., 2018).
Nano kẽm (Nano-Zinc) là những hạt nano kim loại đã được chứng minh có thể cải thiện chất lượng tinh dịch. Một nghiên cứu trên cừu con cho thấy việc bổ sung Nano-kẽm vào chế độ ăn đã cải thiện chất lượng tinh dịch ở mào tinh, tăng hoạt động chống oxy hóa của tinh tương (Zhang Chun và cs., 2015). Một nghiên cứu khác cũng cho thấy khi bổ sung Nano-kẽm vào chế độ ăn ở bò cũng làm giảm nồng độ malondialdehyde (MDA) và cải thiện hoạt động của ty thể và màng tế bào tinh trùng (Falchi và cs., 2018).

Trên đây là ứng dụng của công nghệ Nano trong quá trình xử lý, lọc rửa tinh trùng và khả năng chống các tác nhân oxy hóa khi bảo quản lạnh và trữ đông tinh trùng. Bài viết tiếp theo sẽ đề cập đến ứng dụng của công nghệ Nano trong vận chuyển tinh trùng và điều trị viêm nhiễm đường sinh dục cũng như một số hạn chế của công nghệ Nano mà các nhà khoa học đang quan tâm đến.

Tài liệu tham khảo:
1.     Arafa, Mohamed, Ashok Agarwal, Ahmad Majzoub, Manesh Kumar Panner Selvam, Saradha Baskaran, Ralf Henkel, and Haitham Elbardisi. 2020. “Efficacy of Antioxidant Supplementation on Conventional and Advanced Sperm Function Tests in Patients with Idiopathic Male Infertility.” Antioxidants 9(3). doi: 10.3390/antiox9030219.
2.     Brinsko, S. P., T. L. Blanchard, S. L. Rigby, C. C. Love, and D. D. Varner. 2003. “Effects of Dead Spermatozoa on Motion Characteristics and Membrane Integrity of Live Spermatozoa in Fresh and Cooled-Stored Equine Semen.” Theriogenology 59(3–4):735–42. doi: 10.1016/S0093-691X(02)00941-X.
3.     Falchi, Laura, Grazia Galleri, Gian Mario Dore, Maria Teresa Zedda, Salvatore Pau, Luisa Bogliolo, Federica Ariu, Alessandra Pinna, Stefano Nieddu, Plinio Innocenzi, and Sergio Ledda. 2018. “Effect of Exposure to CeO2 Nanoparticles on Ram Spermatozoa during Storage at 4 °C for 96 Hours.” Reproductive Biology and Endocrinology 16(1). doi: 10.1186/s12958-018-0339-9.
4.     Falchi, Laura, Wael A. Khalil, Mahmoud Hassan, and Waleed F. A. Marei. 2018. “Perspectives of Nanotechnology in Male Fertility and Sperm Function.” International Journal of Veterinary Science and Medicine 6(2):265–69.
5.     Farini, Veronica L., Carla V. Camaño, Gabriel Ybarra, Diego L. Viale, Gabriel Vichera, Juan S. Yakisich, and Martín Radrizzani. 2016. “Improvement of Bovine Semen Quality by Removal of Membrane-Damaged Sperm Cells with DNA Aptamers and Magnetic Nanoparticles.” Journal of Biotechnology 229:33–41. doi: 10.1016/j.jbiotec.2016.05.008.
6.     Feugang, Jean M. 2017. “Novel Agents for Sperm Purification, Sorting, and Imaging.” Molecular Reproduction and Development 84(9):832–41.
7.     Hulla, J. E., S. C. Sahu, and A. W. Hayes. 2015. “Nanotechnology: History and Future.” Human and Experimental Toxicology 34(12):1318–21.
8.     Lemma, Alemayehu. 2011. “Effect of Cryopreservation on Sperm Quality and Fertility.” in Artificial Insemination in Farm Animals. InTech.
9.     Moridi, Heresh, Seyed Abdolhakim Hosseini, Hossein Shateri, Nejat Kheiripour, Arastoo Kaki, Mahdi Hatami, and Akram Ranjbar. 2018. “Protective Effect of Cerium Oxide Nanoparticle on Sperm Quality and Oxidative Damage in Malathioninduced Testicular Toxicity in Rats: An Experimental Study.” International Journal of Reproductive BioMedicine 16(4):261–66. doi: 10.29252/ijrm.16.4.261.
10.  Safa, Soroush, Gholamali Moghaddam, Raziallah Jafari Jozani, Hossein Daghigh Kia, and Hossein Janmohammadi. 2016. “Effect of Vitamin E and Selenium Nanoparticles on Post-Thaw Variables and Oxidative Status of Rooster Semen.” Animal Reproduction Science 174:100–106. doi: 10.1016/j.anireprosci.2016.09.011.
Zhang C, Qin X, Guo L. Effect of different Nano-zinc levels in dietary on semen quality, activities of antioxidant enzyme and expression of copper zinc superoxide in epididymis of ram lambs. Scientia Agricultura Sinica 2015;48:154–64.

Từ khóa: Ứng dụng của công nghệ nano trong hỗ trợ sinh sản nam (Phần 1)