Dopo 300 anni scoperto il vero movimento degli spermatozoi

I risultati di un nuovo studio, effettuato tramite la microscopia 3D, mettono in discussione centinaia di anni di credenze sulle scienze della riproduzione. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, ha fatto finalmente luce sul reale movimento degli spermatozoi e potrebbe aiutare a trattare meglio l'infertilità umana.

Immagine 1 - In questa illustrazione viene rappresentato uno spermatozoo in una determinata posizione nel tempo, la testa (rossa) ruota mentre la coda (blu) batte solo da un lato. La combinazione dei due movimenti si traduce in un spostamento diretto in un’unica direzione. Credits: POLYMATHS-LAB.COM

Nel 1677 Anton van Leeuwenhoek, scienziato olandese e inventore del primo microscopio composto utilizzò tale strumento per esaminare gli spermatozoi. 

Il pioniere della microscopia Anton van Leeuwenhoek analizzò il movimento degli spermatozoi e scrisse che le code ondeggiavano secondo uno schema simmetrico, come «quello di un serpente o di un'anguilla».

Gli “animalculi” (piccoli animali così chiamati da Leeuwenhoek) che si muovono a zig zag descritti dallo scienziato olandese sarebbero diventati noti come cellule spermatiche o spermatozoi. Ogni spermatozoo aveva una testa arrotondata e (pensò Van Leeuwenhoek) una coda che si muoveva da un lato all'altro per proiettarlo attraverso il fluido.

Fino ad ora, praticamente tutto ciò che gli scienziati conoscono sul movimento degli spermatozoi umani si è basato sulle osservazioni primitive di van Leeuwenhoek. Ma un articolo pubblicato sulla rivista Science Advances ha rovesciato circa 350 anni di ipotesi sulla riproduzione, una delle funzioni biologiche più importanti o per meglio dire essenziale.

«Esiste solo una totale disinformazione in quasi tutta la storia della comprensione della biologia funzionale degli spermatozoi ed è necessario che tale errore venga corretto, tuttavia si tratta di una vera sfida», scrive il Prof. Scott Pitnick, che insegna biologia presso il Center for Reproductive Evolution dell'Università di Syracuse e che non preso parte allo studio. «Si tratta del primo studio che ha veramente affrontato questa sfida e ha risolto un tipo di problema complesso» continua Pitnick.

Attraverso l’utilizzo della microscopia 3D e di analisi matematiche avanzate, un team internazionale di ricercatori dell'Università di Bristol in Inghilterra e dell'Università nazionale autonoma del Messico (UNAM, Universidad Nacional Autónoma de México) ha scoperto che il movimento di uno spermatozoo umano simile a quello di una coda è un'illusione ottica. Invece di muoversi da un lato all’altro, le code degli spermatozoi in realtà si muovono solo in una direzione.

Senza ulteriori regolazioni, un colpo unilaterale della coda comporterebbe un movimento in circolo e lo spermatozoo non riuscirebbe mai a raggiungere la propria destinazione, la cellula uovo (ovocita). Per compensare tale movimento, gli scienziati hanno scoperto che il corpo o la testa dello spermatozoo ruota in maniera indipendente con un movimento simile a quello di un cavatappi ma nella direzione opposta a quella della coda, ciò consente all'intera cellula di avanzare in linea retta.

«Non ci aspettavamo di trovare quello che abbiamo trovato», scrive il dott. Hermes Gadêlha, capo del Polymaths Lab dell'Università di Bristol e autore principale dello studio. «L'obiettivo del progetto era la ricerca di base (quel tipo di ricerca per cui le applicazioni nel "mondo reale" non sono immediatamente evidenti) per capire come si muove lo spermatozoo nelle tre dimensioni. E il risultato ha completamente cambiato l'attuale sistema di credenze che possediamo».

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I limiti della descrizione di van Leeuwenhoek sulla motilità degli spermatozoi non erano una sua colpa; lo scienziato stava usando la tecnologia più avanzata disponibile in quel momento. «Per vedere il vero movimento, dovresti nuotare insieme alla cellula, l'effetto sarebbe simile a quello che si otterrebbe attaccando una videocamera GoPro alla testa dello sperma mentre guarda la sua coda», scrive Gadêlha.

Che cosa hanno fatto i ricercatori per capire il movimento degli spermatozoi?

Per avere un quadro preciso di come si muove uno spermatozoo, il team del dott. Gadêlha ha sospeso verticalmente gli spermatozoi in una soluzione. I ricercatori hanno posizionato la soluzione contenente gli spermatozoi all'interno di un microscopio 3-D stabilizzato in modo da poter scansionare il movimento mentre una telecamera ad alta velocità registrava più di 55.000 fotogrammi al secondo da diverse angolazioni.

Inoltre i ricercatori hanno collegato al microscopio 3D un dispositivo piezoelettrico, in modo da misurare i cambiamenti di pressione, accelerazione e forza convertendo queste proprietà in cariche elettriche. Tale dispositivo ha raccolto informazioni sul movimento degli spermatozoi a livello di risoluzione submicronica, stiamo parlando di un ordine di grandezza inferiore a un milionesimo di metro. Basti pensare che il diamentro di un capello umano è compreso tra 17 e 181 μm mentre il diametro della testa di uno spermatozoo è di circa 5 μm (5 micron) ossia è 3 volte più piccolo del più piccolo capello umano. 

Eseguendo i dati combinati raccolti da tutte le macchine attraverso operazioni matematiche avanzate, gli scienziati sono stati in grado di trovare la media dei movimenti degli spermatozoi e riuscire così a "vedere" la vera direzione delle code.

Ogni spermatozoo si muove come una trottola, ruotando attorno al proprio asse e anche attorno a un asse centrale. «Ciò che la natura ci sta dicendo è che esiste più di un modo per raggiungere la simmetria», scrive Gadêlha. «Gli spermatozoi usano l'asimmetria per creare simmetria».

Solo gli spermatozoi umani si muovono in questo modo?

Gli spermatozoi umani non sono gli unici microrganismi a funzionare in questo modo: gli spermatozoi dei topi e le Chlamydomonas (un tipo di alghe verdi) possiedono anche loro dei movimenti asimmetrici e una forma asimmetrica sottostante. Questo, scrive Gadêlha, può essere indicativo di universalità nelle strutture organizzative tra le specie.

Immagine 2 - La coda dello spermatozoo si muove asimmetricamente, facendo oscillare la coda solo su un lato. Questo fa girare lo spermatozoo in 3D. Credits: POLYMATHS-LAB.COM

È difficile quantificare se il movimento di uno spermatozoo sia il modo più efficace per nuotare all'interno di un fluido. «Ci piace pensare che la natura è in grado di ottimizzare le cose, ma dobbiamo sempre ricordare che ci sono molti aspetti da considerare. Uno spermatozoo non è fatto solo per nuotare e trovare la cellula uovo, deve trovare segnali chimici, reagire a diverse viscosità, attivarsi», scrive Gadêlha. «In ogni fase hai bisogno di un nuovo superpotere che ti permetta di fare queste cose» continua il ricercatore.

Per comprendere l'evoluzione dei meccanismi strutturali all'interno di un organismo, scrive Pitnick, si tratta di comprendere il familiare concetto biologico della funzione di adattamento alla forma; la forma di qualcosa è progettata per il lavoro che deve svolgere. Per comprendere veramente lo spermatozoo, è necessario osservarlo nel suo ambiente selettivo previsto: il tratto riproduttivo femminile, che anche gli scienziati dovrebbero studiare di più. «L'organismo femminile è un ambiente tridimensionale complesso», scrive Pitnick. «E non ne sappiamo molto, in parte si tratta solo un pregiudizio storico maschile osceno nel fare biologia».

I ricercatori autori dello studio ritengono che la scoperta del reale movimento degli spermatozoi potrebbe aiutare a trattare l'infertilità, una condizione che colpisce circa 50 milioni di coppie a livello globale. I fattori biologici maschili sono responsabili di una media che oscilla tra il 20 e il 30% dei casi di infertilità e nel complesso contribuiscono a circa il 50% dei casi di infertilità.

Tuttavia, queste statistiche sono distorte poiché legate ai Paesi in cui i dati della fecondazione in vitro e di altri trattamenti per la fertilità sono comuni, quindi i fattori legati agli spermatozoi potrebbero essere ancora più significativi di quelli registrati. «[L'infertilità maschile] è davvero abbastanza comune, forse più comune di quanto il pubblico in generale si renda conto», scrive la Dott.ssa Cori Tanrikut, urologa specializzata in medicina della riproduzione presso lo Shady Grove Fertility Center nel Maryland. «E in questo momento, se vuoi pensare a questo studio, attualmente, abbiamo davvero mezzi limitati per migliorare o ottimizzare la motilità degli spermatozoi» prosegue Tanrikut.

Una maggiore conoscenza della motilità degli spermatozoi potrebbe condurre a trattamenti più efficaci contro l'infertilità

Quanto più accuratamente gli scienziati saranno in grado di comprendere la biologia molecolare della motilità degli spermatozoi, tanto meglio i medici saranno in grado di affrontare i problemi di motilità associati alla sterilità, prosegue Tanrikut. La dott.ssa Tanrikut spera che le conoscenze acquisite da futuri lavori sul campo possano aiutarla a offrire ai pazienti opzioni di trattamento dell'infertilità meno aggressive o addirittura a migliorare le loro possibilità di concepire senza assistenza.

Le implicazioni della scoperta di Gadêlha e del suo team potrebbero anche andare ben oltre lo scopo dimostrato da questo studio sugli spermatozoi. La cellula (come organismo) effettua calcoli e correzioni inconsci, regola i modelli di movimento e la coppia meccanica a seconda delle condizioni circostanti. La comprensione di questi meccanismi potrebbe essere di aiuto anche in ambiti diversi come la robotica leggera e la scienza dei materiali.

Uno degli studenti di Gadêlha, ad esempio, sta cercando di capire in che modo le deboli oscillazioni non rilevabili del corpo umano possano essere utili nello sviluppo di protesi del piede e della caviglia.

Lo studio "Human sperm uses asymmetric and anisotropic flagellar controls to regulate swimming symmetry and cell steering"è stato pubblicato il 31 luglio 2020 sulla rivista Science Advances.