导语

全球约六分之一育龄夫妇面临不孕不育困扰，其中男性因素占比高达30%。在辅助生殖技术（ART）中，如何无损地筛选出最优质的"生命种子"——精子，一直是生殖医学的核心挑战。光镊技术作为一把"光之手"，能在三维空间中非接触操控单细胞，为单精子卵胞浆内注射（ICSI）提供了革命性工具。然而，这把"光之手"是否会对精子造成伤害？如何设置参数才能既精准又安全？

安徽医科大学周金华教授团队、章志国教授、钟振声副教授等合作，在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》发表最新研究，系统揭示了光镊参数（波长、功率、捕获时长、捕获方向）对精子运动能力的影响规律，为临床安全应用提供了关键参数优化指南。

Juan Wang, Jifu Lyu, Haoyu Pan, Xinyu Fan, Xiang Jiang, Xuhui Bao, Yi Wang, Fengya Lu, Zhiguo Zhang, Zhensheng Zhong, and Jinhua Zhou. Orientation- and wavelength-dependent sperm motility in optical trapping.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 19, No. 02, 2550038 (2026)

https://doi.org/10.1142/S1793545825500385

正文

三波长光镊平台的精密构建

研究团队自主搭建了三套近红外光镊系统，分别采用1064 nm、850 nm和785 nm三种波长。通过水浸物镜（60×，NA 1.20）聚焦激光，形成稳定的三维光阱。实验设计巧妙：在20 μm深度的精子计数板中进行水平捕获（精子尾部受限），在140 μm深度腔室中进行垂直捕获（精子头部与中段同时受照），模拟临床ICSI中的不同操作场景。

关键发现一：捕获方向决定损伤程度

研究采用计算机辅助精子分析（CASA）系统，追踪了9项运动参数（VCL、VSL、VAP、LIN、WOB、STR、BCF、ALH、MAD），发现：

垂直捕获（Vertical Trapping）——"高危姿势"

• 1064 nm（140 mW）：3分钟起所有参数显著下降，4分钟时运动能力全面抑制

• 850 nm（100 mW）：4分钟时VSL、VAP显著降低，线性运动能力受损

• 785 nm（60 mW）：各参数基本稳定，仅个别指标轻微波动

水平捕获（Horizontal Trapping）——"安全姿势"

• 三种波长下，4分钟内所有关键参数均无显著变化

• 精子头部为主要捕获部位，线粒体富集的中段避开了激光直射

图2：光镊操控精子的不同捕获方向。(a)水平捕获流程；(b)垂直捕获流程；(c)水平捕获时精子的滚动；(d)垂直捕获时精子的滚动；(e)自由游动精子轨迹

关键发现二：滚动频率揭示光损伤机制

通过深度学习算法（U-Net）分析精子头部图像，团队测量了光阱中精子的纵向滚动频率：

• 垂直捕获：随捕获时间延长，滚动频率进行性下降，1064 nm组4分钟时降至初始值的54%，850 nm组降至53%，785 nm组仍保持77%

• 水平捕获：三种波长下滚动频率4分钟内均无显著变化

这一发现提示：垂直捕获时激光同时照射精子头部和线粒体中段，导致能量代谢障碍；而水平捕获主要作用于头部，避开了"能量工厂"。

图6：不同光镊参数下捕获精子的滚动频率。(a-c)垂直捕获；(d-f)水平捕获

 关键发现三：功率与波长的协同效应

研究进一步测试了1064 nm高功率（200 mW）条件：

• 垂直捕获2.5分钟即出现滚动频率显著下降，4分钟时降至初始值的26%

• 水平捕获4分钟时仅出现轻微频率下降

785 nm波长表现最优：即使在垂直捕获条件下，对精子运动能力的影响也最小，被认为是ICSI单精子筛选的最佳波长选择。

主要创新点

1.系统性参数优化：首次在同一研究中比较三种近红外波长（1064/850/785 nm）与两种捕获方向（水平/垂直）的组合效应

2.多维度评价指标：结合CASA运动参数与深度学习辅助的滚动频率分析，全面评估精子功能状态

3.临床转化导向：明确提出安全参数阈值——水平捕获、低功率（1064 nm<140 mW、850 nm<100 mW、785 nm<60 mW）、短时（<4分钟）可有效保护精子活力

4.机制阐释：揭示线粒体照射是光损伤的关键环节，为"低损伤光镊"设计提供理论依据

应用前景

这项研究为光镊技术在辅助生殖领域的临床转化提供了"安全操作手册"：

• ICSI精子筛选：推荐采用785 nm波长+水平捕获方案，可在4分钟内完成单精子分离且不影响其运动能力

• 精子质量评估：滚动频率可作为光损伤的敏感早期指标，用于实时监测

• 技术拓展：为开发集成光镊的自动化精子选择系统奠定参数优化基础

• 机制研究：揭示的光-线粒体相互作用机制，可指导新型低毒性光镊光源设计

结语

光镊技术被誉为"隔空取物"的魔法，但在生命科学的应用中，"温柔"比"强大"更重要。周金华教授团队的工作告诉我们：通过精准的参数优化——选择合适的波长（785 nm）、采用安全的捕获方向（水平）、控制合理的操作时间（<4分钟），光镊完全可以成为辅助生殖医生的"得力助手"，而非"隐形杀手"。

这项研究不仅为临床提供了可操作的指南，更启示我们：在生物医学光子学领域，技术的每一次进步都应建立在对生命规律的深刻尊重之上。期待光镊技术早日广泛应用于临床，为更多不孕不育家庭带来新生命的希望。

通讯作者简介

周金华，安徽医科大学生物医学工程学院和第一附属医院生殖医学中心双聘教授，一直从事光镊、定量相位成像、深度学习算法及其生物医学应用研究，自研光镊装置和定量相位显微成像装置多台套，开展生殖细胞和储存血细胞等的相关检测研究。

更多详情见https://bme.ahmu.edu.cn/2022/1228/c6503a131571/page.htm

章志国，安徽医科大学第一附属医院生殖医学中心和生物医学工程学院双聘教授，中华医学生殖医学分会青年委员；中国康复医学生殖健康专委会常委及实验学组组长。已发表论文100余篇，主编／参编专家共识3项，授权发明专利4项（转化2项，获三类注册证1项），PCT专利1项，获省部级奖项11次，主持国家及省部级基金10项。研究方向为生殖医学和辅助生殖技术。

更多详情见https://bme.ahmu.edu.cn/2022/0825/c6493a123634/page.htm

钟振声，安徽医科大学生物医学工程学院副教授， 主要研究兴趣为利用单细胞操纵技术解决生物学及医学问题。

更多详情见https://bme.ahmu.edu.cn/2022/0628/c6494a122133/page.htm