睾丸組織冷凍20多年後,還能產生精子?

2022年05月14日10:00

  實驗室里冷凍了20多年的睾丸細胞,終於解除封印了。

  撰文 | 栗子

  審校 | 二七

  想像一位男性患上癌症,且腫瘤生長的部位靠近生殖器官或者一些相關腺體,那放療或化療就可能對他的生育功能造成威脅。

  假如患者已經成年或到了青春期,他至少可以選擇將自己的精子冷凍起來,等到來日解凍,便有機會依靠體外授精等方法,把自己的基因傳遞給下一代。但假如患者還在幼年,沒有精子可以事先冷凍,又有什麼技巧能把生殖能力保存下來?

  從前,科學家們就提出過冷凍睾丸組織的方法,也證實了短期冷凍過的靈長類睾丸組織,還可以用來產生精子。只是,一些幼童接受癌症治療的時間可能很長,有的甚至超過10年,短期冷凍可能無法滿足他們的需求。許多研究者也十分好奇,睾丸組織究竟能在冷凍環境下保存多久不失效。

  直到最近,有一組科學家把90年代冷凍的樣本取出來,用裡面的細胞成功產生了精子。

  幹細胞是頂樑柱

  在介紹新的研究成果之前,我們首先要瞭解一下,睾丸里負責製造精子的到底是誰。

  對人類來說,一個健康的成年男性,單次發射通常可以噴出4000萬到12億個精子。每一個遊動的精子,都是以精原細胞(spermatogonium)為起點,經過減數分裂等一些步驟製造出來的。

  減數分裂,精原細胞或卵原細胞可經過兩次減數分裂,產生精子或卵子(圖片來源:Rdbickel via Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0)

  當然,男性並非從出生起就可以製造精子,而是要等到青春期,睾酮這種雄激素上升到一定水平,才會啟動減數分裂,開始生產精子,讓一個男童逐漸成長為擁有生育能力的成熟男性。

  但即便男人到了可以生育的階段,也不是每個精原細胞,都會通過減數分裂來製造精子。根據功能的不同,科學家將精原細胞分為兩類,A型和B型:

  A型精原細胞,又叫精原幹細胞(Spermatogonial stem cell),它們的工作就不涉及減數分裂。其中一部分精原幹細胞,會利用有絲分裂來增殖,製造更多的精原細胞;另一部分只作為儲備,不進行減數分裂,通常也不進行活躍的有絲分裂。

  藍為通常不進行活躍有絲分裂的Ad型精原細胞,橙為進行有絲分裂增殖的Ap型精原細胞,二者都屬於A型精原細胞;黃為B型精原細胞,由Ap型精原細胞分裂而成;綠為初級精母細胞,由B型精原細胞分化而來,並在第一次減數分裂的末期,分化為次級精母細胞(紫)(圖片來源:Wikimedia Commons)

  B型精原細胞,便是由那些增殖中的精原幹細胞(即A型精原細胞),依靠有絲分裂生產出來的。只有B型精原細胞才會分化成初級精母細胞,通過減數分裂一步步產生精子細胞。此後,再經過一系列形態變化,精子最終會擁有蝌蚪形的身軀,善於游泳。

  看到這裏,你或許能感覺到,精原幹細胞(SSC)就是男性生殖能力的根基。睾丸里每天要產生數百萬個精子,精原幹細胞的增殖和分化,對保障精子的高產至關重要。此前已有科學家證實,包含小鼠精原幹細胞的新鮮睾丸組織,被移植到無生育能力的小鼠體內後,仍然能產出有活力的精子。

  另外,2019年又有研究者利用與人類親緣關係更近的恒河猴做實驗,為一些快到青春期的幼年猴子移除了睾丸,切片冷凍5個月左右,再移植回相應恒河猴的背部和陰囊處。根據研究團隊的報告,那些睾丸被切除時,都是沒生產過精子的未成熟睾丸,但當冷凍過的睾丸組織被移植回恒河猴體內,隨著動物青春期來臨,移植組織便能產生精子了。研究人員甚至用這樣得來的精子,使母猴成功受孕,繁育出健康的後代。

  但就像開頭提到的那樣,科學家們更希望用這種方法用到人類身上,在更長的時間尺度下保留癌症患者的生育能力。近年兒童癌症患者存活率越來越高,但代價通常是生育能力的損傷。如果一位男童需要長期接受癌症治療,冷凍的睾丸組織和當中的精原幹細胞能和他一起堅持麼?如今,賓夕法尼亞大學的一支研究團隊用大鼠的精原幹細胞做了實驗,科學家想知道經過多年冷凍,這些幹細胞的功能會不會喪失。

  一個精子也比沒有強

  他們的實驗室里,有已經冷凍超過23年的大鼠精原幹細胞,這才給了科學家好奇的資本。

  為了觀察長期冷凍與短期冷凍的精原幹細胞有什麼區別,研究團隊利用和當年相同的流程,從和當年相同的大鼠品系中,又採集了一些睾丸細胞,並在液氮里冷凍1~4個月。在移植實驗的當天,他們又在同一個大鼠品系里,收割起一批新鮮的睾丸細胞,與兩個冷凍組做對照。

  科學家們把冷凍的大鼠睾丸細胞解凍後,將每組當中的精原幹細胞(SSC)富集起來,再植入裸鼠體內。所謂裸鼠,是一些胸腺存在缺陷的基因突變小鼠(注意不是大鼠),它們缺乏免疫反應,不太可能對外來的細胞產生排斥。這項實驗使用的裸鼠,事先被去除了體內原本存在的生殖細胞,為大鼠的生殖細胞騰出適宜生存的環境。

  左為新鮮組,中為短期冷凍組,右為長期冷凍組,三者移植到裸鼠體內,都產生了伸長的精子細胞(如箭頭所指)(圖片來源:原論文)

  研究者發現,不論長期冷凍組、短期冷凍組還是新鮮組的大鼠精原幹細胞,都在裸鼠體內形成了精子發生(spermatogenesis)的細胞群落,也就是說精子製造工廠都開始運轉了。並且,像短期冷凍組和新鮮組那樣,長期冷凍組也出現了細長的精子,表明精子生成過程已經完整,三組精原幹細胞,都在移植後成功產生精子。只不過,長期冷凍組製造的精子數量並不像另外兩組那樣多。

  與此同時,組織學分析也顯示出,在移植細胞數基本相同的情況下,長期冷凍組所形成的細胞群落明顯比短期冷凍組和新鮮組形成的群落要少。或者說,長期冷凍的精原幹細胞,無法像短期冷凍或新鮮精原幹細胞那樣,在被移植的動物體內高效定殖。

  另外,科學家還通過RNA測序發現,雖然三個組別的精原幹細胞被移植後,裸鼠體內都出現了製造精子所需的所有類別的生殖細胞,但在長期冷凍組產生的細胞群落里,未分化的幹細胞所占的比例明顯高於短期冷凍組和新鮮組。研究者相信,是長期冷凍讓精原幹細胞完全分化的能力下降,它們分化出的精子細胞才比其他兩組更少。

  減數分裂產生的精子細胞,在伸長為蝌蚪形的過程中,需要經曆複雜的染色質重塑過程,一些與之相關的基因,也會在此時表達。而科學家發現,長期冷凍組產生的圓形精子細胞,對與染色質重塑有關的基因表達比較少,能朝著蝌蚪形的目標繼續伸長的精子也就少了。

  雖然,這項研究並不說明人類的精原幹細胞擁有一樣的規律,但科學家覺得,人類患者如果要接受類似的移植方案,可能也需要考慮長期冷凍造成精原幹細胞效率下降的問題。

  不過,論文的一作、賓夕法尼亞大學的伊恩·惠藍(Eoin Whelan)說:“其實,只需要生出一個可用的精子,就算成功了。”

  那你成功了嗎?

  原論文:

  https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001618

  參考鏈接:

  https://www.eurekalert.org/news-releases/951471

  https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aav2914

  http://www.nature.com/ncomms/2014/140701/ncomms5320/full/ncomms5320.html

  本文轉自《環球科學》

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