1. Mở đầu

    Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization - WHO) ước tính vô sinh đang ảnh hưởng đến khoảng 186 triệu người trên toàn cầu, trong đó yếu tố nam chiếm tới 50% các trường hợp. Đối với các cặp vợ chồng khó khăn trong việc có con, các kỹ thuật hỗ trợ sinh sản (Assisted Reproductive Technologies - ART) như bơm tinh trùng vào buồng tử cung (Intrauterine Insemination - IUI), thụ tinh trong ống nghiệm cổ điển (Conventional In Vitro Fertilization - c.IVF) và tiêm tinh trùng vào bào tương noãn (Intracytoplasmic Sperm Injection - ICSI) đã trở thành những giải pháp điều trị hiệu quả. Bất kể kỹ thuật nào được áp dụng, việc chuẩn bị mẫu tinh dịch trước điều trị vẫn là một bước thiết yếu nhằm chọn lọc những tinh trùng có tiềm năng thụ tinh cao nhất [1].

    Trong thực hành lâm sàng hiện nay, các phương pháp lọc rửa tinh trùng được áp dụng phổ biến nhất là ly tâm gradient đẳng tỷ trọng (Density Gradient Centrifugation - DGC) và bơi lên (Swim-up). Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại những hạn chế nhất định. Quá trình ly tâm tạo ra lực cơ học làm tăng nồng độ các gốc oxy hóa tự do (Reactive Oxygen Species - ROS), từ đó gây stress oxy hóa và dẫn đến phân mảnh DNA tinh trùng (Sperm DNA Fragmentation - SDF) [1]. Đặc biệt, sự đứt gãy DNA chuỗi kép (Double-Strand Breaks - DSB) có liên quan trực tiếp đến sự gián đoạn động học phôi, thất bại làm tổ và nguy cơ sảy thai liên tiếp [2].

    Để khắc phục những hạn chế này, công nghệ vi lưu (microfluidic) được biết đến như một phương pháp chọn lọc tinh trùng tối ưu, với thiết kế nhằm mô phỏng quá trình chọn lọc tự nhiên trong đường sinh dục nữ [3]. Không giống các kỹ thuật dựa trên ly tâm, microfluidic khai thác khả năng di động chủ động và hành vi bơi của tinh trùng trong hệ thống vi kênh để chọn lọc quần thể tinh trùng có chất lượng cao hơn, đồng thời giảm thiểu các tác động cơ học bất lợi trong quá trình xử lý mẫu [3],[4]. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy phương pháp này có khả năng bảo toàn tính toàn vẹn DNA tinh trùng và cải thiện kết cục điều trị ở một số nhóm bệnh nhân (BN) được chọn lọc [5].

    Cơ chế hoạt động và thiết kế của hệ thống microfluidic

    Microfluidic là công nghệ các vi kênh có kích thước micromet để kiểm soát sự di chuyển của chất lỏng và tế bào trong môi trường vi mô [4]. Trong ART, các thiết bị vi lưu được thiết kế nhằm mô phỏng một số đặc tính thủy động lực học và rào cản sinh học của đường sinh dục nữ, tạo điều kiện cho quá trình chọn lọc tinh trùng diễn ra gần giống với sinh lý tự nhiên nhất [1].

    Đặc điểm vật lý chính của hệ thống vi lưu là khả năng tạo ra và duy trì cấu trúc dòng chảy tầng (laminar flow) ổn định, các lớp chất lỏng chuyển động song song với nhau mà không xảy ra hiện tượng nhiễu loạn. Nhờ vậy, các thông số trong môi trường vi mô như vận tốc dòng chảy, áp suất và lực cắt (shear force) được kiểm soát ổn định [3]. Hệ thống tạo ra một môi trường chọn lọc, trong đó chỉ những tinh trùng có khả năng di động tốt mới có thể vượt qua các vi kênh hoặc hàng rào vi cấu trúc để tiến tới buồng thu. Cơ chế này giúp hạn chế tổn thương thứ phát trong quá trình xử lý mẫu [3],[4].

    Phân loại và cấu trúc thiết kế của thiết bị vi lưu

    Tùy theo mục đích sử dụng, các thiết bị vi lưu hiện nay được phát triển dưới nhiều dạng cấu trúc khác nhau, từ các chip thương mại dùng trong thực hành lâm sàng đến các hệ thống nghiên cứu được thiết kế riêng trong phòng thí nghiệm nhằm tối ưu hóa quá trình chọn lọc tinh trùng.

    Các chip vi lưu thương mại: được sản xuất theo tiêu chuẩn y tế nghiêm ngặt và sử dụng một lần nhằm đảm bảo vô trùng trong lab IVF. Một số hệ thống được sử dụng phổ biến hiện nay như chip ZyMōt™ hay SwimCount™ Harvester.

  2. Cấu trúc vật lý: các thiết bị này thường có cấu trúc xếp chồng đơn giản,  bao gồm buồng nạp mẫu thô ở phía dưới, một màng lọc vi xốp (microporous membrane) ở giữa (kích thước lỗ lọc tiêu chuẩn thường là 8µm) và buồng thu hồi tinh trùng ở phía trên [5].
  3. Cơ chế vận hành: Đây là hệ thống vi lưu thụ động, hoạt động hoàn toàn không cần bơm đẩy bên ngoài. Cơ chế chọn lọc dựa trên sự kết hợp giữa sàng lọc kích thước vật lý và động lực bơi chủ động của tinh trùng.

 

Hạn chế hiện nay của công nghệ microfluidic

Dù có lợi ích vượt trội, microfluidic vẫn có những hạn chế nhất định. Thách thức lớn nhất là hiệu suất thu hồi tương đối thấp, nguyên nhân xuất phát từ sức chứa rất nhỏ của các thiết kế buồng nạp vi kênh, dẫn đến việc thiết bị này kém hiệu quả nếu áp dụng cho BN bị thiểu tinh nặng (Severe oligozoospermia) [3],[4]. Để đủ lượng tinh trùng cần thiết, chuyên viên phôi học đôi khi phải sử dụng nhiều thiết bị chạy song song [4]. Ngoài ra, để hoạt động tốt hơn, một số phiên bản vi lưu vẫn yêu cầu hệ thống bơm tiêm (syringe pump) bên ngoài để tạo dòng chảy ổn định, làm giảm đi tính tiện dụng ở quy mô lâm sàng, đòi hỏi các thiết kế thụ động được hoàn thiện thêm trong tương lai [3].

Kết luận

Các dữ liệu lâm sàng và sinh học thực nghiệm khẳng định microfluidic là một bước tiến mang tính cách mạng, vượt xa các phương pháp truyền thống như DGC và Swim-up [1],[3]. Bằng cách mô phỏng sinh lý tự nhiên và hạn chế các tác động bất lợi của quá trình xử lý mẫu, vi lưu giúp chọn lọc quần thể tinh trùng có chất lượng cao hơn [4]. Lợi ích này thể hiện rõ rệt ở các nhóm nam giới lớn tuổi, BN có SDF/DSB cao hoặc tiền sử thất bại IVF/ICSI [2],[5]. Tuy nhiên, để microfluidic trở thành quy chuẩn thao tác phổ biến trong mọi phòng lab ART, cần có thêm các nghiên cứu quy mô lớn hơn nhằm tối ưu hóa buồng chứa, cải thiện thể tích nạp mẫu và đánh giá sâu về độ an toàn di truyền lâu dài [1],[5].

Tỷ lệ thụ tinh: Không có sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ thụ tinh giữa nhóm microfluidic và phương pháp truyền thống, có thể do ICSI đã bỏ qua hầu hết các rào cản thụ tinh tự nhiên [2],[5]. Chất lượng phôi: Sự khác biệt diễn ra ở giai đoạn phôi phân chia và phôi nang. Theo Escudé-Logares (2024) [5], ở nhóm nam giới lớn tuổi (≥45 tuổi), tỷ lệ phôi nang đạt 64,4% ở các chu kỳ có sử dụng vi lưu, vượt trội hoàn toàn so với mức 50,1% ở nhóm không sử dụng. Kết cục lâm sàng: Lara-Cerrillo (2023) [2] đã tiến hành điều trị bằng kỹ thuật ICSI ở chu kỳ thứ hai bằng thiết bị vi lưu cho nhóm BN có tỷ lệ DSB >60%, từng thất bại ICSI trước đó bằng Swim-up và DGC. Kết quả ghi nhận tỷ lệ thai lâm sàng tăng 35,56%, và tỷ lệ trẻ sinh sống tăng 35,29%. Tương tự, Escudé-Logares (2024) [5] cũng chứng minh tỷ lệ làm tổ và trẻ sinh sống tăng đáng kể ở nhóm nam giới lớn tuổi khi sử dụng microfluidic.

Ảnh hưởng của microfluidic lên kết cục IVF

Khả năng hướng động dòng chảy (Rheotaxis): trong môi trường tự nhiên, tinh trùng luôn có xu hướng bơi ngược chiều dòng chảy để tiến về phía noãn. Trong hệ thống vi lưu nghiên cứu, dòng chảy được thiết kế ngược hướng với buồng thu, những tinh trùng có khả năng di động tốt có thể chủ động di chuyển ngược dòng để tiến về phía buồng thu, trong khi các tinh trùng có khả năng di động yếu hoặc bất động sẽ bị giữ lại hoặc bị cuốn trôi về phía kênh thải [3].

Hành vi bơi men theo bề mặt (Boundary-following behavior): do hiệu ứng ma sát thành ống trong dòng chảy tầng, vận tốc dòng chảy ở sát vách vi kênh sẽ giảm dần về mức bằng không. Tinh trùng di động tiến tới tốt tận dụng vùng lực cắt thấp này, bơi cắt ngang từ vùng vận tốc cao ở trung tâm sang bám sát và di chuyển dọc theo thành ống để đến buồng thu [3].

Đặc điểm mẫu tinh dịch phù hợp để áp dụng microfluidic

Cần lưu ý rằng microfluidic không làm thay đổi chất lượng tinh trùng [1], mà chỉ đóng vai trò như một bộ lọc sinh học, chọn lọc và làm giàu quần thể tinh trùng có đặc tính sinh học tốt nhất từ quần thể tinh dịch hiện có [3].

Một ưu điểm của các hệ thống vi lưu là khả năng xử lý trực tiếp mẫu tinh dịch thô mà không cần thực hiện các bước ly tâm rửa mẫu ban đầu [3]. Các bằng chứng hiện có cho thấy microfluidic mang lại lợi ích lâm sàng rõ rệt cho một số nhóm BN như nam giới lớn tuổi (≥45 tuổi), BN có SDF/DSB cao hoặc có tiền sử sảy thai liên tiếp, thất bại IVF/ICSI [2],[5].

Tuy nhiên, do cơ chế chọn lọc phụ thuộc vào khả năng di động chủ động của tinh trùng, phương pháp này không phù hợp với các trường hợp thiểu tinh nặng (severe oligozoospermia), nhược tinh nặng, tinh trùng bất động hoàn toàn hoặc các mẫu có số lượng tinh trùng rất thấp/ tinh trùng thủ thuật [3],[4].

Hiệu quả của microfluidic đối với chất lượng tinh trùng

Thông qua việc thiết lập các điều kiện thủy động lực học chuẩn xác, hệ thống vi lưu mang lại kết quả tốt hơn so với hai phương pháp truyền thống DGC và Swim-up trong việc:

Tối ưu hóa khả năng di động tiến tới: Tekiyeh (2025) [3] ghi nhận tỷ lệ di động tiến tới tăng từ mức trung bình 28,4% trong mẫu tinh dịch thô lên 78,06%, đồng thời tỷ lệ tổng số tinh trùng di động đạt tới 100% trong mẫu thu hồi. Sheibak (2024) [4] cũng khẳng định thiết bị vi lưu vượt trội hơn hẳn DGC và Swim-up trong việc làm tăng di động tiến tới và giảm thiểu số lượng tinh trùng bất động. Cải thiện hình thái tinh trùng: Các rào cản vật lý và vi kênh hẹp đóng vai trò như bộ lọc hình thái tự nhiên. Tỷ lệ tinh trùng có hình thái bình thường tăng từ 17% lên đến 56,3% sau thu hồi [3]. Kết quả này cũng tương đồng với các phân tích hình thái nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn Kruger ở các thiết bị vi lưu khác [1]. Bảo vệ toàn vẹn DNA: Việc giảm phân mảnh DNA (DNA Fragmentation Index - DFI) là điểm nổi bật nhất. Tỷ lệ DFI giảm chỉ còn 4,14% ở nhóm vi lưu, thấp hơn đáng kể so với 12,14% ở phương pháp DGC [1]. Các nghiên cứu khác cũng ghi nhận khả năng loại bỏ hiệu quả các tinh trùng mang DSB của microfluidic [4]. Nâng cao tiềm năng hoạt hóa noãn: thông qua phân tích đo tế bào dòng chảy (Flow cytometry), quần thể tinh trùng được chọn lọc qua vi lưu có tỷ lệ biểu hiện hai yếu tố hoạt hóa noãn (Phospholipase C zeta - PLCζ và protein PAWP) cao nhất so với các kỹ thuật khác. Điều này cho thấy quần thể tinh trùng được thu nhận qua vi lưu có tiềm năng thụ tinh cao hơn so với các phương pháp chọn lọc truyền thống [4].

Màng lọc 8µm đóng vai trò là một rào cản, chỉ những tinh trùng có kích thước và hình thái đầu tiêu chuẩn mới có thể di chuyển qua. Các tế bào tròn, tinh trùng dị dạng hoặc mảnh vụn tinh dịch sẽ bị giữ lại ở tầng dưới. Để lên được buồng thu hồi, tinh trùng phải có khả năng di động tốt để bơi xuyên qua các lỗ màng. Những tinh trùng SDF cao hoặc đang bắt đầu quá trình chết theo chương trình (apoptosis) thường bị suy giảm ty thể, không đủ năng lượng để di động tiến tới sẽ bị loại bỏ [1].

Các thiết bị vi lưu nghiên cứu/tự thiết kế: được phát triển trong phòng thí nghiệm nhằm khảo sát sâu ảnh hưởng của hình dạng vi kênh, tốc độ dòng chảy và các điều kiện thủy động lực học khác nhau lên hành vi của tinh trùng.

Cấu trúc vật lý: thường được thiết kế từ vật liệu polyme sinh học PDMS (Polydimethylsiloxane) hoặc thủy tinh. Những hệ thống này có thể sử dụng các cấu trúc kênh thẳng nối dài, kênh hình sin (serpentine) hoặc mạng lưới vi kênh (20µm đến 100µm) phức tạp xếp hình zigzag để tối ưu hóa khả năng chọn lọc tinh trùng chất lượng cao [4]. Cơ chế vận hành: thường là hệ thống vi lưu chủ động, đòi hỏi các thiết bị hỗ trợ như bơm tiêm điện (syringe pump) để thiết lập các dải vận tốc dòng chảy chính xác. Nhóm thiết bị này chọn lọc tinh trùng dựa trên hai hành vi bản năng của tinh trùng. 

 

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Meseguer-Estornell, F., Giménez-Rodríguez, C., Rivera-Egea, R., Carrión-Sisternas, L., Remohí Giménez, J., & Meseguer, M. (2024). Can Microfluidics Improve Sperm Quality? A Prospective Functional Study.

[2] Cerrillo, S. L., Muñoz, C. U., de la Casa, M., Camacho, S., Gijón, J., Ruiz, T. L., ... & Peiró, A. G. (2023). Microfluidic sperm sorting improves ICSI outcomes in patients with increased values of Double-Strand Breaks in sperm DNA. Revista internacional de Andrología: salud sexual y reproductiva, 21(1), 7.

[3] Tekiyeh, M. M., Zand, M. M., Movahedin, M., Azizi, Z., & Sarbandi, I. R. (2025). Simple and rapid microfluidic device for processing raw human semen and separation of motile sperm based on their intrinsic behavior and morphology. Scientific reports, 15(1), 25160.

[4] Sheibak, N., Amjadi, F., Shamloo, A., Zarei, F., & Zandieh, Z. (2024). Microfluidic sperm sorting selects a subpopulation of high-quality sperm with a higher potential for fertilization. Human Reproduction, 39(5), 902-911.

[5] Escudé-Logares, L., Serrano-Novillo, C., Uroz, L., Galindo, A., & Márquez, C. (2024). Advanced paternal age: a new indicator for the use of microfluidic devices for sperm DNA fragmentation selection. Journal of Clinical Medicine, 13(2), 457.