Rapid selection of motile sperm with high DNA integrity using microfluidics

Background: Current techniques of semen processing and sperm selection used in preparation for assisted reproductive technology (ART) such as IVF and ICSI, are crude and differ greatly from the natural in vivo processes. Recent studies have shown that microfluidic channels and microfluidic chips may be well-suited for sperm selection and could be applied to ART in the future. Aim: The aim of this study is to test new microfluidic devices in their ability to separate viable, highly motile sperm with high DNA integrity from non-motile sperm and debris. Furthermore, we also evaluate the efficiency of the 6 mm microfluidic device by comparing it with density gradient centrifugation (DGC).Methodology: Sperm samples were obtained from volunteer donors. Due to the limited volume of each ejaculate, it was not possible to directly compare all three microfluidic channel lengths (6, 7.5 and 9 mm) at 2 different runtimes. We therefore tested 7.5 mm microfluidic device at 10 and 20 min runtimes and compared the 6 mm with 9 mm devices at 10 and 20 mins runtimes. We also ran a parallel study between 6 mm microfluidic device and a two-layered Percoll gradient (40-80%) at 30 min runtime. Recovered sperm from all the outlets and Percoll density gradient pellets were assessed for viability, percent recovery, and sperm DNA integrity which is measured by the sperm chromatin structure assay (SCSA) and expressed as %DFI and %HDS. Outcomes: Our results show that the 7.5 mm microdevice recovered sperm with significantly lower % DFI and %HDS at 10 and 20 min runtimes (%DFI= 4.1 ± 3.9% and 1.6 ± 1.3% and %HDS= 1.1 ± 1.4% and 0.9 ± 1.0%, respectively) compared to raw semen (%DFI= 9.8 ± 4.8% and %HDS= 3.2 ± 1.0%). The percent sperm recovery at 10 and 20 min run times are 0.25 ± 0.17% and 0.47 ± 0.34%, respectively. For the 6 mm vs. 9 mm devices run at 10 mins, there was a significant difference in DNA integrity between the sperm collected from the outlets (%DFI= 4.2 ± 2.1% [6 mm] and 3.5 ± 2.7% [9 mm] and %HDS=1.9 ± 1.0% [6 mm] and 1.3 ± 0.7% [9 mm]), compared to the raw semen (%DFI= 14.4 ± 3.0% and %HDS= 4.7 ± 2.0%). Lastly, at a 20 min runtimes significant differences were seen in DNA integrity (%DFI= 5.1 ± 4.3% [6 mm] and 4.5 ± 3.9% [9 mm] and %HDS= 1.6 ± 1.2% [6 mm] and 0.9 ± 0.3% [9 mm] compared to the raw semen (%DFI= 11.0 ± 4.7% and %HDS= 4.6 ± 2.1%).The %DFI and %HDS were both significantly lower in sperm recovered from both the 6 mm microfluidic device and DGC (%DFI= 3.6 ± 1.8% and 3.0 ± 2.2% and %HDS= 0.7 ± 0.3% and 0.8 ± 0.5%, respectively) as compared to raw semen (%DFI= 12.3 ± 8.4% and %HDS= 3.1 ± 1.6%). However, the percent sperm recovery was significantly higher when using DGC than with the microdevice (9.8 ± 6.5% vs. 0.6 ± 0.4%, respectively). Throughout each experimental run, the microdevice allows for recovery of sperm populations with significantly higher viability compared to the raw semen samples.Repeated evaluations of sperm movement in the microchannel devices have demonstrated that sperm have a wall swimming bias. Conclusions: Our results indicate that the 6 mm microfluidic device and Percoll density gradient yielded comparable results when comparing to the raw semen and both techniques were effective in selecting sperm with good viability and DNA integrity. However, DGC had a higher % sperm recovery when compared with the microfluidic device. The 6 mm and 9 mm devices run at 10 or 20 mins and the 7.5 mm device run at 10 at 20 mins yield significantly better results compared to the raw semen and were comparable within each timed study, respectively. These experiments may help shed new understanding of sperm transport modes and metrics as indicators of sperm viability and give light to the fundamental characteristics of human sperm motility.Introduction: Les techniques actuelles de traitement du sperme et de sélection des spermatozoïdes en vue de leur utilisation en reproduction assistée (RA), entre autres pour la fécondation in vitro et l'injection intra-cytoplasmique de spermatozoïde sont rudimentaires et diffèrent grandement du processus naturel in vivo. Les études récentes ont montré que des canaux microfluidiques pourraient être appropriés à la sélection des spermatozoïdes et utilisés en RA.But: Le but de cette étude est de tester la capacité de plusieurs dispositifs microfluidiques (DMF), à sélectionner des spermatozoïdes très mobiles et possédant un ADN de grande intégrité à partir d'un échantillon de sperme brut contenant des cellules peu motiles et des débris. De plus, nous allons aussi comparer l'efficacité des DMF et celle de la centrifugation par gradient de densité (CGD, méthode conventionnelle de sélection) pour leur capacité à séparer les spermatozoïdes très mobiles. Méthodes: Une aliquote (1 ml) de sperme liquéfié (donneurs normaux) est déposée à l'entrée des DMF et le fluide est collecté à la sortie après un temps déterminé d'incubation. Nous avons comparé la capacité de sélectionner les spermatozoïdes très motiles 1) pour des DMF avec des longueurs de microcanaux de 6, 7.5 ou 9 mm et des temps d'incubation de 10 ou 20 min et 2) pour les DMF et la CGD. Nous avons déterminé les paramètres des spermatozoïdes dans le sperme original et les préparations obtenues des DMF et CGD. L'intégrité de la chromatine est mesurée par le 'sperm chromatin structure assay' (SCSA) et exprimée en indice de fragmentation de l'ADN (%DFI) et indice de densité de la chromatine (%HDS). Résultats: 1. Les spermatozoïdes obtenus à la sortie des DMF de 7.5 mm (incubation 10 et 20 min) ont une viabilité supérieure (99 ± 7% et 96 ± 8%, respectivement; moyenne ± SD) à celle des spermatozoïdes du sperme original (88 ± 3%). Les %DFI et %HDS à la sortie des DMF sont aussi plus bas avec des incubations de 10 ou 20 min (%DFI: 4.1 ± 3.9% and 1.6 ± 1.3% and %HDS: 1.1 ± 1.4% and 0.9 ± 1.0%, respectivement) que dans les échantillons non traités (%DFI: 9.8 ± 4.8% and %HDS: 3.2 ± 1.0%)2. Les spermatozoïdes récupérés avec les DMF de 6 et 9 mm (incubation 10 min) ont aussi des viabilités supérieures (99 ± 1% [6mm] et 99 ± 1% [9mm]) à celle qu'on mesure dans le sperme original (90 ± 1%). De même leur %DFI et %HDS sont plus bas (%DFI: 4.2 ± 2.1% [6mm] et 3.5 ± 2.7% [9mm] and %HDS: 1.9 ± 1.0% [6mm] and 1.3 ± 0.7% [9mm]), que ceux des spermatozoïdes de départ (%DFI: 14.4 ± 3.0% and %HDS: 4.7 ± 2.0%). Les DMF de 6 et de 9 mm donnent des résultats semblables.3. Les spermatozoïdes obtenus après 20 min d'incubation dans un DMF de 6 mm ou après CGD sont plus viables (98 ± 2% and 97 ± 4%, respectivement) que ceux de l'échantillon de départ (91 ± 10%). De même, les %DFI and %HDS des spermatozoïdes récupérés après ces DMF ou CGD sont plus bas (%DFI:3.6 ± 1.8% and 3.0 ± 2.2% and %HDS: 0.7 ± 0.3% and 0.8 ± 0.5%, respectivement) que ceux des spermatozoïdes de départ (%DFI: 12.3 ± 8.4% and %HDS: 3.1 ± 1.6%). Par contre, la récupération des spermatozoïdes par CGD est beaucoup plus importante que celle obtenue par DMF (9.8 ± 6.5% vs. 0.6 ± 0.4%, respectivement). Conclusions: Nos résultats montrent que les DMF testés (6, 7.5 et 9 mm) avec des temps d'incubation de 10 et 20 min peuvent sélectionner les spermatozoïdes hautement motiles et viables et d'intégrité élevée de l'ADN et de la chromatine. Le DMF de 6 mm et la CGD donnent des résultats équivalents pour ce qui est de la qualité de la préparation de spermatozoïdes obtenue. Par contre, le nombre de spermatozoïdes récoltés est bien supérieur avec la CDG qu'avec le DMF. Ces résultats pourraient apporter une nouvelle compréhension quant au mode de transport et au métriques comme indicateurs de la viabilité des spermatozoïdes et de mieux connaître les caractéristiques fondamentales du mouvement des spermatozoïdes humains