在我作为科学家、科学观察家或临床医生的各种职业角色中，几乎没有一天不遇到新的信息或新的情况，突出生物学和生物系统的复杂性。这种情况需要仔细评估，并经常导致新的管理策略或形成进一步科学调查的基础。随着知识库的扩大和我们对可能影响我们的战略和结果的变量的理解的增加，这是不可避免的。我们不断地学习、再学习和完善我们的工作和工作方式。人类精子在体外的存活和表现就是一个不断发展的故事，除了人类生殖之外，它还在许多领域产生了深远的影响。
不孕不育是一个影响15%的夫妇的问题。男性生殖问题占不孕症病例的三分之一，另外三分之一是由男性和女性生殖问题或不明病因造成的。临床上采用了包括体外受精（IVF）技术在内的多种策略来帮助不孕夫妇寻求成功怀孕。有活力、强壮、正常运动的精子是试管婴儿成功的关键。众所周知，标准培养的精子在12小时内就会衰弱，失去活力和运动能力，到42小时时，只有约52%的精子保持活力。较少的强壮和活动力的精子会降低试管婴儿周期的成功概率。能够提高精子在体外的活力和性能的方案将是临床医生和患者都非常感兴趣的。
在低浓度下，活性氧（ROS）作为第二信使，调节环磷酸腺苷（cAMP）的增加，蛋白激酶A（PKA）的激活，精氨酸-X-X-（丝氨酸/苏氨酸）基团的PKA底物的磷酸化。细胞外信号调节激酶(ERK)和丝裂原激活蛋白激酶(MEK)蛋白和苏氨酸-谷氨酸酪氨酸座的磷酸化，以及纤维鞘蛋白酪氨酸的磷酸化。这些功能参与精子增容、顶体反应和卵母细胞受精。
精子浆膜中含有大量的多不饱和脂肪酸（PUFA），而其细胞质中含有低浓度的清除ROS的酶。高浓度的ROS使配子的内源性抗氧化防线不堪重负，造成多种失常。高浓度的ROS会造成浆膜PUFA的过氧化损伤、DNA损伤、线粒体三磷酸腺苷(ATP)消耗、细胞凋亡、精子活动力丧失。
由于几种抗氧化途径和化合物的作用，ROS在体内的寿命一般很短。然而，已知它们会在卵母细胞和精子培养物中积累，这两种培养物都能产生受精过程所需的少量ROS。
Sommer等人认为，聚苯乙烯在水溶液的作用下会变软。这就创造了条件，将导致在实验室常用的塑料培养皿中建立起一层纳米级的ROS。通过评估在聚苯乙烯和超光滑纳米金刚石涂层培养皿中培养的ROS敏感细胞系的细胞性能，证实了这一假设。测试的细胞系包括小鼠P19胚胎癌细胞、鼠源性L929细胞和源自人类宫颈癌的HeLa细胞。该小组和其他小组在随后的工作中证明了纳米机械软化。
使用纳米金刚石表面涂覆培养皿是基于这样的认识，即这种材料在化学和生物上都是惰性的，有能力在其表面结合一层纳米级的水。Sommer证明了这种材料和这种纳米层在实际应用中是不含ROS的。他们随后报告说，在金刚石涂层的培养皿中而不是通常用于试管婴儿的聚苯乙烯培养皿中培养人类精子细胞，在42小时内，纳米金刚石涂层培养皿的细胞存活率提高了约20%。这证实了培养皿本身在精子体外存活中起到了一定的作用。那聚苯乙烯表面ROS的积累是随着时间的推移而降低成活率的一个诱因。
Sommer等人进一步将培养的精子暴露在670nm的红光下。众所周知，这个波长的光能被细胞色素C氧化酶和其他分子吸收，刺激ATP的合成，影响ROS的产生，以及其他许多细胞、组织和整个生物体层面的活动。然而，需要注意的是，光剂量和剂量率很重要，而且所有细胞和组织对光辐照的反应不尽相同。
他们发现，与聚苯乙烯培养皿中的精子计数相比，纳米金刚石涂层石英培养皿接触1小时后，表现出A级运动的精子细胞数量增加了近300%。他们还观察到，当应用较长的光照射时间时，精子的活动力在与聚苯乙烯和纳米金刚石接触后有显著不同。高3倍的光剂量对聚苯乙烯平板培养物中精子的活动力是不利的，导致在曝光后45分钟和60分钟时，精子的数量减少到对照组的数量。在纳米金刚石盘中培养的精子受到同样的光照剂量后，精子的活动力急剧增加。
这一系列实验表明，金刚石培养皿和以特定参数传递的近红外光以互补的方式为精子细胞提供能量，而聚苯乙烯培养皿则使精子细胞疲惫不堪。红光通过抑制ROS的积累和增强ATP的合成，抵消了线粒体中ROS产生的内部氧化应激。同时，金刚石基质可防止精子细胞与培养板表面之间界面ROS层的堆积。
光生物调控(PBM)描述了通过使用特定波长、强度和剂量方案的光来刺激或抑制细胞功能的能力。经典的PBM治疗窗口在600和1200纳米之间。光谱中这部分的光很容易通过所谓的光学窗口穿透皮肤和组织。光被各种结构和分子吸收，主要是有助于能量生产和氧气输送的分子。
PBM的效果取决于治疗时间、治疗部位和治疗参数（剂量）。PBM在临床上已显示出加速伤口愈合、减轻疼痛和炎症的功效，并有益于其他应用，包括治疗神经系统疾病和损伤。
使用光生物调控疗法（PBMT）后观察到的结果的机理基础是通过增加ATP的产生，增强其他代谢途径，减少ROS和其他自由基的产生，从而上调细胞内代谢。
光子与细胞和细胞结构的相互作用是PBM的必要条件。我们已经了解到，并非所有的细胞和组织都对PBM有反应，而且在确定剂量或治疗过程时，不能一刀切。不同的光生物调控效应已被描述，这取决于正在研究的特定细胞系和物种。我们的实验室证明，在体外的细胞增殖和代谢可以通过改变剂量频率或治疗间隔的PBMMT（17）的影响。我们还在小鼠压迫性溃疡模型中证明了这一现象，即伤口愈合。这些调查强调了一个独特的剂量频率组合存在的组织和细胞系的概念。这种特定的治疗模式必须被确定，以优化结果，并最大限度地刺激细胞代谢和增殖。我们的工作还表明，使用其他治疗策略将反常地造成大的抑制，尽管提供相同的总能量。
越来越明显的是，生物系统是相当复杂的。它们包含了许多途径，根据生物体当前的需要，它们可以协同工作，也可以相反。我们开始了解到，这些系统利用了几种共同的物质和反应，而且这些物质和反应可以利用几种力量，包括光来操纵。
作为科学家和临床医生，我们将从实验室收集到的信息应用于解决临床问题，并形成进一步研究的基础。我们经常根据使用各种细胞、组织和全动物模型获得的结果来做出这些决定，并假定这些模型可以转化为我们的具体应用。仔细的体外研究可以成为指导全动物和人体试验设计的有力工具。它们有利于高效和可重复地筛选治疗参数的矩阵。我们假定我们开发的动物模型准确地反映了自然界中的实际生物学和生理学。
Abolins等人最近证明，实验室和野生小鼠的血清学、细胞和功能免疫反应不同。野生型小鼠有一群高度活化的骨髓细胞，这在实验室的同类小鼠中是没有的。这里的问题是，实验室模型和实验室条件，很可能并不能完全复制自然界。
Sommers的工作表明，PBM与670纳米的红光可以改善体外的精子功能和活力。这种效果增强了使用纳米金刚石涂层培养皿的有益效果。它还表明，各种细胞系对类似的操作有不同的反应。这组工作还强调了一个事实，即无处不在的聚苯乙烯培养皿可以对结果产生有害影响。我们最好认识到，看似无害的东西可能并不是这样的，当我们解释实验结果并试图应用它们时，我们应该保持谨慎。每一个细节都很重要，甚至是看似平凡的细节。
参考文献
1.https://www.nichd.nih.gov/health/topics/menshealth/conditioninfo/Pages/infertility.aspx
2.https://www.newscientist.com/article/mg21729064-900-ivf-sperm-do-better-in-a-diamond-dish/
3.http://www.sciencemag.org/news/2017/04/diamond-dishes-could-boost-ivf-success-rates
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