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睾丸组织冷冻20多年后,还能产生精子?

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实验室里冷冻了20多年的睾丸细胞,终于解除封印了。

撰文 | 栗子

审校 | 二七

想象一位男性患上癌症,且肿瘤生长的部位靠近生殖器官或者一些相关腺体,那放疗或化疗就可能对他的生育功能造成威胁。

假如患者已经成年或到了青春期,他至少可以选择将自己的精子冷冻起来,等到来日解冻,便有机会依靠体外授精等方法,把自己的基因传递给下一代。但假如患者还在幼年,没有精子可以事先冷冻,又有什么技巧能把生殖能力保存下来?

从前,科学家们就提出过冷冻睾丸组织的方法,也证实了短期冷冻过的灵长类睾丸组织,还可以用来产生精子。只是,一些幼童接受癌症治疗的时间可能很长,有的甚至超过10年,短期冷冻可能无法满足他们的需求。许多研究者也十分好奇,睾丸组织究竟能在冷冻环境下保存多久不失效。

直到最近,有一组科学家把90年代冷冻的样本取出来,用里面的细胞成功产生了精子。

干细胞是顶梁柱

在介绍新的研究成果之前,我们首先要了解一下,睾丸里负责制造精子的到底是谁。

对人类来说,一个健康的成年男性,单次发射通常可以喷出4000万到12亿个精子。每一个游动的精子,都是以精原细胞(spermatogonium)为起点,经过减数分裂等一些步骤制造出来的。

减数分裂,精原细胞或卵原细胞可经过两次减数分裂,产生精子或卵子(图片来源:Rdbickel via Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0)

当然,男性并非从出生起就可以制造精子,而是要等到青春期,睾酮这种雄激素上升到一定水平,才会启动减数分裂,开始生产精子,让一个男童逐渐成长为拥有生育能力的成熟男性。

但即便男人到了可以生育的阶段,也不是每个精原细胞,都会通过减数分裂来制造精子。根据功能的不同,科学家将精原细胞分为两类,A型和B型:

A型精原细胞,又叫精原干细胞(Spermatogonial stem cell),它们的工作就不涉及减数分裂。其中一部分精原干细胞,会利用有丝分裂来增殖,制造更多的精原细胞;另一部分只作为储备,不进行减数分裂,通常也不进行活跃的有丝分裂。

蓝为通常不进行活跃有丝分裂的Ad型精原细胞,橙为进行有丝分裂增殖的Ap型精原细胞,二者都属于A型精原细胞;黄为B型精原细胞,由Ap型精原细胞分裂而成;绿为初级精母细胞,由B型精原细胞分化而来,并在第一次减数分裂的末期,分化为次级精母细胞(紫)(图片来源:Wikimedia Commons)

B型精原细胞,便是由那些增殖中的精原干细胞(即A型精原细胞),依靠有丝分裂生产出来的。只有B型精原细胞才会分化成初级精母细胞,通过减数分裂一步步产生精子细胞。此后,再经过一系列形态变化,精子最终会拥有蝌蚪形的身躯,善于游泳。

看到这里,你或许能感觉到,精原干细胞(SSC)就是男性生殖能力的根基。睾丸里每天要产生数百万个精子,精原干细胞的增殖和分化,对保障精子的高产至关重要。此前已有科学家证实,包含小鼠精原干细胞的新鲜睾丸组织,被移植到无生育能力的小鼠体内后,仍然能产出有活力的精子。

另外,2019年又有研究者利用与人类亲缘关系更近的恒河猴做实验,为一些快到青春期的幼年猴子移除了睾丸,切片冷冻5个月左右,再移植回相应恒河猴的背部和阴囊处。根据研究团队的报告,那些睾丸被切除时,都是没生产过精子的未成熟睾丸,但当冷冻过的睾丸组织被移植回恒河猴体内,随着动物青春期来临,移植组织便能产生精子了。研究人员甚至用这样得来的精子,使母猴成功受孕,繁育出健康的后代。

但就像开头提到的那样,科学家们更希望用这种方法用到人类身上,在更长的时间尺度下保留癌症患者的生育能力。近年儿童癌症患者存活率越来越高,但代价通常是生育能力的损伤。如果一位男童需要长期接受癌症治疗,冷冻的睾丸组织和当中的精原干细胞能和他一起坚持么?如今,宾夕法尼亚大学的一支研究团队用大鼠的精原干细胞做了实验,科学家想知道经过多年冷冻,这些干细胞的功能会不会丧失。

一个精子也比没有强

他们的实验室里,有已经冷冻超过23年的大鼠精原干细胞,这才给了科学家好奇的资本。

为了观察长期冷冻短期冷冻的精原干细胞有什么区别,研究团队利用和当年相同的流程,从和当年相同的大鼠品系中,又采集了一些睾丸细胞,并在液氮里冷冻1~4个月。在移植实验的当天,他们又在同一个大鼠品系里,收割起一批新鲜的睾丸细胞,与两个冷冻组做对照。

科学家们把冷冻的大鼠睾丸细胞解冻后,将每组当中的精原干细胞(SSC)富集起来,再植入裸鼠体内。所谓裸鼠,是一些胸腺存在缺陷的基因突变小鼠(注意不是大鼠),它们缺乏免疫反应,不太可能对外来的细胞产生排斥。这项实验使用的裸鼠,事先被去除了体内原本存在的生殖细胞,为大鼠的生殖细胞腾出适宜生存的环境。

左为新鲜组,中为短期冷冻组,右为长期冷冻组,三者移植到裸鼠体内,都产生了伸长的精子细胞(如箭头所指)(图片来源:原论文)

研究者发现,不论长期冷冻组、短期冷冻组还是新鲜组的大鼠精原干细胞,都在裸鼠体内形成了精子发生(spermatogenesis)的细胞群落,也就是说精子制造工厂都开始运转了。并且,像短期冷冻组和新鲜组那样,长期冷冻组也出现了细长的精子,表明精子生成过程已经完整,三组精原干细胞,都在移植后成功产生精子。只不过,长期冷冻组制造的精子数量并不像另外两组那样多。

与此同时,组织学分析也显示出,在移植细胞数基本相同的情况下,长期冷冻组所形成的细胞群落明显比短期冷冻组和新鲜组形成的群落要少。或者说,长期冷冻的精原干细胞,无法像短期冷冻或新鲜精原干细胞那样,在被移植的动物体内高效定殖。

另外,科学家还通过RNA测序发现,虽然三个组别的精原干细胞被移植后,裸鼠体内都出现了制造精子所需的所有类别的生殖细胞,但在长期冷冻组产生的细胞群落里,未分化的干细胞所占的比例明显高于短期冷冻组和新鲜组。研究者相信,是长期冷冻让精原干细胞完全分化的能力下降,它们分化出的精子细胞才比其他两组更少。

减数分裂产生的精子细胞,在伸长为蝌蚪形的过程中,需要经历复杂的染色质重塑过程,一些与之相关的基因,也会在此时表达。而科学家发现,长期冷冻组产生的圆形精子细胞,对与染色质重塑有关的基因表达比较少,能朝着蝌蚪形的目标继续伸长的精子也就少了。

虽然,这项研究并不说明人类的精原干细胞拥有一样的规律,但科学家觉得,人类患者如果要接受类似的移植方案,可能也需要考虑长期冷冻造成精原干细胞效率下降的问题。

不过,论文的一作、宾夕法尼亚大学的伊恩·惠蓝(Eoin Whelan)说:“其实,只需要生出一个可用的精子,就算成功了。

那你成功了吗?

原论文:

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

参考链接:

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

本文转自《环球科学》

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