Dynamic 3D Modeling for Human Sperm Motility through the Female Cervical Canal and Uterine Cavity to Predict Sperm Chance of Reaching the Oocyte

Abstract

Sperm motility in the female genital tract is a key factor in the natural selection of competent cells that will produce a healthy offspring. We created a dynamic three-dimensional (3D) mechanical model of human sperm cells swimming inside cervical canal and uterine cavity dynamic 3D models, all generated based on experimental studies. Using these simulations, we described the sperm cells’ behaviors during swimming inside the 3D tract model as a function of 3D displacement and time. We evaluated normal- and abnormal-morphology sperm cells according to their chances of reaching the oocyte site. As expected, we verified that the number of normal sperm cells that succeeded in reaching the fallopian tube sites is greater than the number of abnormal sperm cells. However, interestingly, after inspecting various abnormal sperm cells, we found out that their scores changed compared to swimming in an infinite medium, as is the case with in vitro fertilization. Thus, the interactions of abnormal sperm cells and the complicated geometry and dynamics of the uterus are significant factors in the filtering of abnormal sperm cells until they reach the oocyte site. Our study provides an advanced tool for sperm analysis and selection criteria for fertility treatments.

Evaluation of women’s aging influence on sperm passage inside the fallopian tube using 3D dynamic mechanical modeling

“…We used the 3D geometrical models of the normal and abnormal sperm cells developed in our previous study ( Nassir et al, 2022 ; 2023 ). We built a numerical mechanical sperm model based on previous dynamic 3D optical imaging experimental results of sperm cells done by our group ( Dardikman-Yoffe et al, 2020 ).…”

“…In the current study, using a unique combination of simulative tools, we developed a mechanical model of sperm-cell swimming behavior within the human fallopian tube in different age groups and analyzed the women’s aging effects on the chances of normal and pathological sperm cells reaching the fertilization site. We used the 3D detailed geometrical models of the normal and pathological sperm cells developed in our previous studies ( Nassir et al, 2022 ; 2023 ), but simplified the 3D geometry of the sperm models, including the external sperm cell real organs (head, flagellum, and midpiece) to allow dynamic 3D simulation of many sperm cells swimming together in the woman’s body. The pathological sperm models include frequent defects in the sperm head and flagellum morphologies appearing in WHO-2021 guidelines ( World Health Organization, 2021 ).…”

Intrauterine adhesions: from pathogenesis to effective coping technologies

“…Транспортировка сперматозоидов через женский репродуктивный тракт имеет важное значение для достижения оплодотворения. Результаты исследований продемонстрировали, что ВМС могут нарушать цервико-маточно-тубарный транспорт сперматозоидов [17][18][19][20][21]. Вместе с тем шейка матки синтезирует высокогидратированную слизь, и сперматозоиды продвигаются по цервикальному каналу благодаря особенностям шеечной слизи [18,19].…”

“…Результаты исследований продемонстрировали, что ВМС могут нарушать цервико-маточно-тубарный транспорт сперматозоидов [17][18][19][20][21]. Вместе с тем шейка матки синтезирует высокогидратированную слизь, и сперматозоиды продвигаются по цервикальному каналу благодаря особенностям шеечной слизи [18,19]. Контакт сперматозоида с цервикальной слизью улучшает его подвижность, а складчатость эндоцервикса, формируемая в фолликулярную фазу, обеспечивает миграцию сперматозоидов через шейку матки [20,21].…”

“…[17,20]. Кроме того, при длительном нахождении сперматозоидов во влагалище нарушаются локальные иммунные механизмы, в результате чего уменьшается количество сперматозоидов, способных к оплодотворению [18,19,22]. Сократительная активность миометрия усиливает прохождение сперматозоидов через шейку и полость матки [23,24].…”