精子细胞成像技术
《新医学》杂志采访了沙克.纳坦教授，主要探讨他的新技术（精子细胞成像技术）对于提高试管婴儿治疗效果的帮助。
问：你为什么选择研究精子细胞和试管婴儿（IVF）?
答：我的学术追求是打算研发一种新颖且非常实用的技术，这项技术基于生物医学的三维光学显微成像模式，重点是体外生物细胞的三维成像技术。在这些技术的各种应用领域中，试管婴儿是一个非常引人注目的领域，人们希望获得更多有关观察细胞的信息，同时尽量减少对这些细胞的损害。作为对比，在经典病理学的课本中，你可以在生物样本上随意使用染色的化学物质，因为在分析之后，样本要么被丢弃要么被存档，但永远不会在人体中使用。
答：狭义上的定义,常规试管婴儿（IVF）是一个辅助生育的过程,是将女性卵子从母体内取出，在实验室环境下和精子细胞结合形成受精卵，受精卵培养几天后变成胚胎再植回母体的过程。当然现在，更好的IVF技术是二代试管婴儿技术ICSI（胞浆内精子注射），因为研究表明，直接将单个精子注入卵子时，受精的几率更大。
问：您是如何开发出这种安全和精准兼备的3D成像方法来监测精子的运动和质量的?
答：我已经开发了临床全息影像装置，这种装置可以把单个生物细胞全程可视化，而不需要像过去那样进行对比染色，并且可以获得比常规染色技术更多的信息，而这在过去的IVF或ICSI中是不可想象的。全息影像技术利用样品光束与参考光束的波段干涉来记录光通过样品的阴影，这样就能在影像中产生固定的定量对比。
通过这种方式，我们记录了包含光学厚度图在内的完整样本波段，以及精子细胞的OPD（光程阴影图），因此在图上的每一点，OPD等于整个细胞厚度折射率值的积分值。这样一来，我们使用的是非常微弱的光束，从而避免破坏精子细胞的遗传物质。
下图我给出了精子细胞的图像,这表明定性信息之间的差异由亮视场显微镜（BFM）来决定,即使使用染色增强的影像对比,比如微分干涉对比显微镜（DIC）,这是一个常用的定性成像技术,或干涉相位显微镜（IPM）,这是一种定量测量的光学厚度的全息影像。
无论如何，OPD采用的nm数值与精子细胞成像的密度成正比，这是迄今为止临床医生尚未获得的细胞参数的一个对比案例。
【从上图可以看到，在同一nm单位下的精子细胞OPD，采用DIC和IPM成像的结果相当模糊，而采用BFM技术可以得到清晰可见的图像】
全息影像技术一般是基于波段传感技术，然而由于其装置体积大、携带不便以及需要特定的光学技术来校准和使用，它还不能在诊所中使用。
在过去的几年里，我们做出了巨大的努力，成功地使这些装置可以直接用于临床。我们使用小巧便携的机器装置，这些装置可以连接并联到现在的光学显微镜上，并提供与更高质量的全息数据。
事实上，使用这装置，我们已经证明临床上已经可以采用不染色的技术来呈现精子细胞，具有在不染色的情况下检测精子细胞中的完整DNA信息的潜力;而如果对它们进行染色，这意味着精子细胞的化学污染。
更何况，全息影像技术仅仅提供了一个可视化的OPD，它还不能像我现在这样可以提供细胞内切片功能，也不能提供x-y-z三维图像。为了使整个三维图像可视化，我使用了干涉层析成像技术，从多个角度收集许多全息投影，并对其进行处理，以生成三维折射率图。
然而，这些方法都不能解决获得超高速动态细胞的高分辨率三维成像的问题，比如精子细胞自由游动，因为旋转样本或光照需要时间。于是我在论文中提出了第一个高分辨率的断层成像技术，用于可以在自由游动和不运动的精子细胞中都可以获取完整信息的技术。
通过精子头部的三维折射率剖面，揭示了其内部精细的细胞器和时变的方向，以及高度动态的精子尾部的4D（空间和时间）定位。精子头部成像技术是基于精子在自由游动过程中头部自然旋转这一事实，因此它为我们提供了记录其全息投影的可能性。由于该方法提供了动态三维成像（也叫4D成像），因此在生物检测和完整精子细胞的临床应用方面具有很大的潜力。
【4D精子成像:在无染色的自由游动过程中获得精子细胞的三维图像。采集速率:2000帧每秒，持续时间:半秒】
【精子内部细胞器的可视化，可以通过它们的折射率（RI）值来区分。这是在精子游动的过程中完成的，而且没有受到染色的污染】
问：你的新成像方法比以前在试管婴儿中使用的其他成像技术有什么好处?
答：关于目前常规的全息影像技术，世卫组织（WHO）和生殖医学界给出了相当准确地描述：“精准”的刻画出了精子细胞的结构。然而，却无法评估精子细胞是否符合植入的标准，就需要对细胞进行化学染色，但这样一来又导致受污染的精子细胞不适合进行IVF。
而我们的全息成像技术允许胚胎学家获得世卫组织标准所需的所有信息，而且可以更进一步获取更多的关于单个精子细胞的细胞，例如DNA片段水平的分析。更何况，我们的层析成像方法提供了精子三维动态的完整获取（而不仅仅是一个全息图）。这种分析可以由胚胎学家手工完成，也可以由计算机自动完成。
4d精子细胞图像和相关参数一旦被确认用于临床，那么所有的精子细胞都可以构建起完整的数据库，这些数据都可以用于反馈和比较，从而用于判断这对夫妇受孕成功/失败原因,建立一个新的医疗标准。
问：为什么你的成像技术在精子细胞上使用是安全的很重要?
答：对于胚胎（即卵子和精子细胞）的安全性考虑，必须有非常严格的监管指导方针，这些胚胎将被用于植入回母体，显然，这些胚胎有望发育成婴儿，所有对于这些细胞，安全性是第一位的。
问：为什么试管婴儿不允许精子染色?
答：染色剂有不同的类型，但是，任何染色剂都有可能污染并“杀死”精子细胞，比如通过破坏其外膜，穿透精子表层并在内部与靶分子结合，而靶分子可能是细胞核、顶体、细胞质等蛋白质。此外，由于存在破坏精子遗传物质的风险，IVF过程中通常不允许使用荧光染料提取活的精子细胞。
问：为什么精子的质量在试管婴儿治疗中如此重要?
答：更高质量的精子，能够保证更好的怀孕率和妊娠结果。通常,最终使卵子受精的单个精子，都认为和卵子同样重要。确实，有一些相对较新的技术正在用来代替羊膜穿刺术，比如PGD或PGS（三代试管婴儿技术），但它们大多足以识别特定的遗传特征，因此这些发展并不相互竞争，而是相互完善。同时，我们也不希望出现这样的情况，即试管过程中的所有卵子都是由有缺陷的精子细胞受精的。
问：这种方法将如何帮助改善未来的试管婴儿治疗?
答：我们相信,正如任何胚胎学家今天会用他的显微镜观察精子游动和形状,在不久的将来,我们会看到许多胚胎学家应用综合筛选技术来挑选最好的精子细胞注射到卵子里。在未来，我们打算建立一个完整的无染色3D图像精子细胞数据库，连同胚胎图像和临床结果信息，并使用深度学习方法，为下一代人工智能的大数据精子精准运算铺平道路。
问：你相信你的成像技术可以帮助诊断男性生育问题吗?
答：据报道，全球六分之一的家庭有生育问题。在所有不孕症病例中，有三分之一完全是男性因素造成的，三分之一完全是女性因素造成的，其余三分之一是综合因素造成的。而我们的技术是基于精准的数据和图像，以及直接无染色的精子细胞成像，因此我们打算接下来开发一种全新的成像分析技术，能够提供尽可能多的精子信息，并在受精过程中选择最佳的精子。
利用我们的技术，我相信一个快速、廉价、简单的测试可以解释不孕的潜在病因，在相关论文中，我们已经证明可以对生殖细胞不进行染色也一样可以获得清晰的影像。现在，我们有了非常快速的3D成像方法，可以对整个精子（头部和尾部）进行成像，而且不需要染色。因此，我们可以将精子的三维动态与其形态联系起来，可以观察并了解到女性体内如何选择精子的机制。
问：你研究的下一步是什么?
答：我们在我的实验室建立了几个工作模型，用于临床环境中的全息成像，对数千个精子细胞成像，分析它们，并由经验丰富的临床胚胎学家进行各种测试，以修正我们的参数指标。并且我希望能够尽快将这项技术带到诊所，这将受惠于每个打算做IVF的家庭。利用我们最新的4D成像技术，我计划研究不同场景下的精子动态行为，建立一个统一的生物力学模型，连接精子的三维形态、运动和内含物质。
