Clinical and biological efficacy of microfluidic chips for sperm selection in infertility treatment using assisted reproductive technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Relevance: In modern assisted reproductive technology (ART) laboratories, two primary methods are widely used to process ejaculates and isolate a fraction of morphologically normal motile sperm: density gradient centrifugation and the swim-up method. Both techniques involve high-speed centrifugation (300 g), which can negatively impact DNA integrity in male germ cells and promote the formation of reactive oxygen species, potentially reducing sperm fertilization capacity by causing DNA fragmentation. Microfluidic systems have attracted attention as a promising alternative for male germ cell selection in infertility treatment due to their ability to select sperm with enhanced reproductive potential.

Objective: To evaluate the clinical efficacy of microfluidic chips for sperm selection in ART-based infertility treatment and analyze the morpho-functional characteristics of male gametes selected using microfluidics.

Materials and methods: This study included 94 married couples undergoing ART infertility treatment, divided into two groups: the study group (n=47), in which fertilization was performed using sperm isolated on microfluidic chips, and the control group (n=47), in which standard ejaculate sample preparation was conducted using density gradient centrifugation. The clinical and embryological outcomes were assessed. In the second phase, the ejaculate from men in the study group was divided into three samples: native (unprocessed) group, study group (processed using Fertile Plus microfluidic chips, Turkey), and control group (processed by density gradient centrifugation at 300 g per the manufacturer’s protocol, PanECO, Russia). Sperm concentration (C), progressive motility (PR%), morphology (N%), and chromatin maturity (%) were also assessed. Nuclear protein analysis (for chromatin maturity/condensation) was performed using aniline blue staining (Sperm Processor; India). Statistical analysis was conducted using SPSS Statistics (USA), and the Mann–Whitney U test was used to identify group differences. Statistical significance was set at p<0.05.

Results: ART programs using microfluidic technology resulted in a statistically significant increase in the number of high-quality blastocysts on culture days 5–6. No significant differences were observed between the groups in terms of fertilization rate, clinical pregnancy rate, or early pregnancy loss (up to 12 weeks gestation). In the second phase, the biological assessment of male gametes indicated no differences in sperm concentration and motility among the groups. However, statistically significant differences were noted in the percentage of morphologically normal spermatozoa (p<0.05): native – 2 (2; 3); microfluidic chip group – 3 (3; 4); and gradient centrifugation group – 3 (3; 3). Chromatin quality in the isolated spermatozoa also differed significantly: the percentage of immature spermatozoa was 14 (8; 20) in the native sample, 3 (5.5; 12) in the microfluidic chip group, and 8 (5; 10) in the gradient group, with a normal range of ≤15%.

Conclusion: The findings from this study suggest that microfluidic chips not only enhance the selection of morphologically normal spermatozoa but also increase the proportion of male germ cells with well-packed chromatin, which is a crucial factor for sustained pregnancies achieved through ART. Moreover, sperm selection without centrifugation using solely microfluidic devices (including passive ones) may improve embryological outcomes. Further studies are required to confirm the clinical effectiveness of this approach.

About the authors

Natalya P. Makarova

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: np_makarova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0003-1396-7272

PhD, Leading Researcher at the Prof. B.V. Leonov Department for Assisted Technologies in Infertility Treatment

Russian Federation, Moscow

Anastasia P. Sysoeva

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Email: a_sysoeva@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-6502-4498

PhD, Clinical Embryologist at the Prof. B.V. Leonov Department for Assisted Technologies in Infertility Treatment

Russian Federation, Moscow

Vasily S. Chernyshev

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Email: v_chernyshev@oparina4.ru

PhD, Head of the Biophotonics Laboratory

Russian Federation, Moscow

Natalia N. Lobanova

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Email: n_lobanova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-0818-4073

Clinical Embryologist at the Prof. B.V. Leonov Department for Assisted Technologies in Infertility Treatment

Russian Federation, Moscow

Elena V. Kulakova

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Email: e_kulakova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-4433-4163

Dr. Med. Sci., Senior Researcher at the Prof. B.V. Leonov Department for Assisted Technologies in Infertility Treatment

Russian Federation, Moscow

Elena A. Kalinina

Academician V.I. Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology, Ministry of Health of the Russian Federation

Email: e_kalinina@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-8922-2878

Dr. Med. Sci., Professor, Head of the Prof. B.V. Leonov Department for Assisted Technologies in Infertility Treatment

Russian Federation, Moscow

References

  1. Назаренко Р.В., Здановский В.М. Методы селекции сперматозоидов для процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоида в программах экстракорпорального оплодотворения (обзор литературы). Проблемы репродукции. 2019; 25(2): 83-9. [Nazarenko R.V., Zdanovskiĭ V.M. Sperm selection methods in IVF programs (literature review). Russian Journal of Human Reproduction. 2019; 25(2): 83-9. (in Russian)]. https://dx.doi.org/10.17116/repro20192502183.
  2. Aydin S., Eflatun Deniz M. Utilization of a fertile chip in cases of male infertility. IVF Technologies and infertility - current practices and new perspectives. IntechOpen; 2023. https://dx.doi.org/10.5772/intechopen.107108.
  3. Huang C.H., Chen C.H., Huang T.K., Lu F., Jen Huang J.Y., Li B.R. Design of a gradient-rheotaxis microfluidic chip for sorting of high-quality Sperm with progressive motility. iScience. 2023; 26(8): 107356. https://dx.doi.org/10.1016/ j.isci.2023.107356.
  4. Sheibak N., Amjadi F., Shamloo A., Zarei F., Zandieh Z. Microfluidic sperm sorting selects a subpopulation of high-quality sperm with a higher potential for fertilization. Hum. Reprod. 2024; 39(5): 902-11. https://dx.doi.org/10.1093/humrep/deae045.
  5. Беляева Л.А., Шурыгина О.В., Тугушев М.Т., Миронов С.Ю. Опыт применения микрожидкостных чипов для сортировки спермы у пациентов с лечением бесплодия. Ульяновский медико-биологический журнал. 2024; 1: 82-90. [Belyaeva L.A., Shurygina O.V., Tugushev M.T., Mironov S.Yu. Using microfluidic sperm sorting chips in patients with infertility. Ulyanovsk Medico-Biological Journal. 2024; (1): 82-90. (in Russian)]. https:// dx.doi.org/10.34014/2227-1848-2024-1-82-90.
  6. Ma J., Xie Q., Zhang Y., Xiao Q., Liu X., Qiao C. et al. Advances in microfluidic technology for sperm screening and in vitro fertilization. Anal. Bioanal. Chem. 2024; 416(16): 3717-35. https://dx.doi.org/10.1007/s00216-023-05120-9.
  7. Quinn M.M., Ribeiro S., Juarez-Hernandez F., Simbulan R.K., Jalalian L., Cedars M.I. et al. Microfluidic preparation of spermatozoa for ICSI produces similar embryo quality to density-gradient centrifugation: a pragmatic, randomized controlled trial. Hum. Reprod. 2022; 37(7): 1406-13. https:// dx.doi.org/10.1093/humrep/deac099.
  8. Godiwala P., Kwieraga J., Almanza E., Neuber E., Grow D., Benadiva C. et al. The impact of microfluidics sperm processing on blastocyst euploidy rates compared with density gradient centrifugation: a sibling oocyte double-blinded prospective randomized clinical trial. Fertil. Steril. 2024; 122(1): 85-94. https:// dx.doi.org/10.1016/j.fertnstert.2024.02.021.
  9. Banti M., Van Zyl E., Kafetzis D. Sperm preparation with microfluidic sperm sorting chip may improve intracytoplasmic sperm injection outcomes compared to density gradient centrifugation. Reprod. Sci. 2024; 31(6): 1695-704. https://dx.doi.org/10.1007/s43032-024-01483-1.
  10. Jahangiri A.R., Ziarati N., Dadkhah E., Bucak M.N., Rahimizadeh P., Shahverdi A. et al. Microfluidics: The future of sperm selection in assisted reproduction. Andrology. 2024; 12(6): 1236-52. https://dx.doi.org/10.1111/andr.13578.
  11. Zeaei S., Zabetian Targhi M., Halvaei I., Nosrati R. High-DNA integrity sperm selection using rheotaxis and boundary following behavior in a microfluidic chip. Lab. Chip. 2023; 23(9): 2241-8. https://dx.doi.org/10.1039/ d2lc01190e.
  12. Гамидова П.С., Смольникова В.Ю., Макарова Н.П., Лобанова Н.Н. Методы улучшения исходов программ вспомогательных репродуктивных технологий путем инновационных подходов к селекции мужских половых клеток. Акушерство и гинекология. 2022; 7: 34-42. [Gamidova P.S., Smolnikova V.Yu., Makarova N.P., Lobanova N.N. Methods for improving the outcomes of assisted reproductive technology programs through innovative approaches to selecting male germ cells. Obstetrics and Gynecology. 2022; (7): 34-42. (in Russian)]. https://dx.doi.org/10.18565/aig.2022.7.34-42.
  13. Shukla S.K., Gaudriault P., Corbera A. Lab-on-chip (LoC) application for quality sperm selection: An undelivered promise? Open Res. Eur. 2023; 3:188. https://dx.doi.org/10.12688/openreseurope.16671.1.
  14. Meseguer F., Giménez Rodríguez C., Rivera Egea R., Carrión Sisternas L., Remohí J.A., Meseguer M. Can microfluidics improve sperm quality? A prospective functional study. Biomedicines. 2024; 12(5): 1131. https:// dx.doi.org/10.3390/biomedicines12051131.
  15. Ma J., Xie Q., Zhang Y., Xiao Q., Liu X., Qiao C. et al. Advances in microfluidic technology for sperm screening and in vitro fertilization. Anal. Bioanal. Chem. 2024; 416(16): 3717-35. https://dx.doi.org/10.1007/s00216-023-05120-9.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».