《Animal Reproduction Science》：Graphene oxide enhances post-thaw sperm quality in tropically-adapted rams
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本研究针对精液冷冻保存过程中精子质量下降的难题，探索了新型纳米材料氧化石墨烯（GO）在精子冷冻保护中的应用。研究人员将热带适应型Morada Nova公羊精液分别用含不同浓度GO（5、50、100?μg/mL）的稀释液进行冷冻保存，发现5-50?μg/mL GO能显著提升冻融后精子总活力（最高52.0%）、前向运动能力（最高45.7%）和存活率（最高57.8%），并改善DNA完整性。该研究为开发高效精子冷冻保护剂提供了新思路，对热带地区畜牧育种具有重要意义。
在畜牧业发展中，人工授精技术的广泛应用离不开精液冷冻保存技术的支持。通过冷冻保存优质种公羊的精液，可以实现遗传资源的长期保存和高效利用，这对选育优良品种、提高 livestock production systems（ livestock production systems）效率具有重要价值。此外，这一生物技术方法在濒危物种保护中也发挥着关键作用。然而，精液冷冻保存仍面临显著挑战：冷冻和解冻过程会对精子细胞造成多重应激，包括脱水、细胞内冰晶形成以及活性氧（ROS）产生增加。这些机制会损害精子的结构和功能完整性，导致精子质量下降。对冻融精子的分析显示，其活力、存活率和膜完整性降低，形态异常增加，DNA fragmentation（DNA fragmentation）加剧。
公羊精子相比牛精子对操作和冷冻保存过程中的超微结构损伤更为敏感。在热带地区，环境条件可能需要特定策略来维持精子质量，因此开发优化的冷冻保存方案至关重要。近年来，碳基纳米材料引起了研究者们的广泛兴趣，其中氧化石墨烯（graphene oxide, GO）因其独特的二维结构和特性展现出巨大潜力。GO具有类似于抗冻蛋白的特性，能够通过吸附在冰晶表面干扰冰晶的形成和生长，这一机制在冷冻保存中尤为重要，因为细胞内冰晶形成是导致细胞损伤和精子活力丧失的主要因素之一。
为了探索GO在公羊精液冷冻保存中的潜在应用价值，来自巴西西阿拉州立大学的研究团队开展了一项深入研究。研究人员以热带适应型Morada Nova无毛公羊为研究对象，系统评估了不同浓度GO对冻融精子质量的影响。该研究论文发表在《Animal Reproduction Science》期刊上，为纳米材料在生殖生物技术中的应用提供了重要数据支持。
在研究过程中，团队采用了多项关键技术方法：通过计算机辅助精液分析（CASA）系统精确评估精子运动参数；使用伊红-苯胺黑染色法检测精子存活率；基于染色质扩散实验分析DNA完整性；并采用标准化程序进行精子形态学评估。所有实验均使用来自5只成年公羊的30份精液样本，确保了结果的可靠性。
3.1. 精子运动参数
研究结果显示，稀释液中添加GO对冻融后精子运动能力产生显著影响。与对照组相比，添加5?μg/mL GO和50?μg/mL GO的处理组表现出最高的总活力和前向运动能力。具体而言，5?μg/mL GO组的精子总活力达到50.4±3.15%，前向运动活力为44.2±3.06%；50?μg/mL GO组分别为52.0±2.76%和45.7±2.68%，均显著高于对照组（42.0±2.75%和36.7±2.58%）。不动精子比例在5?μg/mL和50?μg/mL GO处理下显著降低，而100?μg/mL GO处理则导致局部运动能力（非前向运动）显著增加，这可能表明高浓度GO产生了特定的细胞毒性效应。
3.2. 精子存活率、形态学和DNA完整性
在精子存活率方面，5?μg/mL和50?μg/mL GO处理显著提高了冻融后精子的存活率，分别达到56.3±2.17%和57.8±2.82%，明显高于对照组的48.8±2.60%。值得注意的是，5?μg/mL和100?μg/mL GO处理均改善了精子DNA完整性，完整DNA比例分别为90±0.34%和90.5±0.44%，高于对照组的89.1±0.37%。然而，GO的添加对精子形态学参数（正常精子比例、主要缺陷和次要缺陷）没有产生显著影响，表明GO主要作用于精子的功能特性而非结构特征。
研究讨论部分深入分析了GO发挥保护作用的可能机制。GO的冷冻保护作用可能涉及其与冰晶的相互作用，限制冰晶形成和再结晶过程。GO基面上羟基基团的有序排列促进了与冰晶之间氢键的形成，从而调控晶体形成并抑制晶体生长。此外，GO还表现出抗氧化特性，其含氧基团能够中和自由基，减轻氧化应激对精子膜、蛋白质和DNA的损伤。这种抑制冰晶形成和抗氧化的联合效应可能是GO改善冻融精子质量的关键机制。
特别值得关注的是，本研究首次在热带适应公羊模型中系统评估了GO的作用效果。Morada Nova羊作为巴西半干旱地区的独特无毛品种，对高温、强日照、低湿度和天然牧草条件具有良好的适应性，能够维持恒温和繁殖功能。该研究的发现为热带地区畜牧育种提供了有针对性的技术解决方案。
研究结论明确指出，在精液稀释液中添加氧化石墨烯能够减轻冷冻保存对公羊精子的不利影响。低至5?μg/mL的GO浓度即可有效提高冻融精子的运动能力、存活率和DNA完整性。即使100?μg/mL的高浓度GO仍对DNA完整性表现出保护作用，这表明GO可能通过不同的通路影响精子的各项功能指标。这些结果支持了GO作为精液稀释液添加剂的潜在应用价值，为开发更高效的生殖生物技术方法奠定了基础。
该研究的主要意义在于为热带环境下家畜遗传资源保护提供了新思路，同时拓展了纳米材料在生殖医学中的应用前景。然而，作者也指出研究的局限性，包括未检测氧化应激指标和渗透压影响，以及缺乏体内受精试验验证。未来的研究需要进一步阐明GO的确切作用机制，并通过更全面的实验验证其在实际育种中的应用效果。
