目前，在体外将多能干细胞培养成神经细胞、胰岛细胞、心肌细胞等已经发展至临床应用阶段，但用干细胞培养生殖细胞的研究尚处早期。近日，科学家们在干细胞培养精子细胞上取得了新的突破。
9 月 7 日，日本京都大学高等研究院（ASHBi）Mitinori Saitou 团队在 Cell Stem Cell 上报告了其用小鼠胚胎干细胞在培养皿中分化出有活力的精子，并且成功诞生健康后代的研究进展，文章标题为 In vitro reconstitution of the whole male grem-cell development from mouse pluripotent stem cells。Saitou 表示，“这是第一项在试管中用小鼠多能干细胞重建功能性精子的研究，为雄性生殖细胞分化带来了新的可能性。”
（来源：Cell Stem Cell）
对于这一进展，美国德克萨斯大学西南医学中心助理教授吴军告诉生辉，“这是一项对未来应用于猪、牛、猴等大动物甚至人身上的，初步的、非常重要的工作。”
同日，首次将灵长类动物胚胎干细胞培养为精细胞的研究以题为 Blastocyst Development after Fertilization with in vitro Spermatids Derived from Non-Human Primate Embryonic Stem Cells 的文章在 Fertility and Sterility Science 上发表，文章提到，他们使用非人灵长类动物恒河猴模型的胚胎干细胞，在体外培养成了圆形精细胞，并在体外使其让卵细胞受精，发育到了囊胚期阶段。
（来源：Fertility and Sterility Science）
该论文通讯作者 Charles A. Easley IV 表示，“这是一项重大的突破，有助于以干细胞为基础，开发治疗无法产生可存活精细胞的男性不育症。”
吴军则认为，“该文章在验证性的内容方面是存在一些欠缺的，比如他们虽然拿到了功能性类似于恒河猴精子的细胞，但是没有提到与体内的精子进行分子角度、基因表达或者是表观遗传等方面的比较，二者是否存在区别其实是不够清楚的。”
“如果要使用通过这种方式在体外产生的精细胞让卵细胞受精的话，我认为会存在很大的安全隐患，” 吴军表示。
初步实现
在组成有性繁殖生物体的所有细胞类型中，生殖细胞是独一无二的：与携带 46 条染色体的其他细胞不同，生殖细胞仅有 23 条染色体（精细胞和卵细胞分别携带 23 条完全来自父亲或母亲的染色体）。根据 Saitou 的说法，“这是父 / 母传递给后代的唯一细胞，是维持物种形态和推动物种进化的驱动力。”也因为生殖细胞的与众不同，科学家对于生殖细胞的研究是落后于其他类型细胞。目前，Saitou 团队已经在小鼠模型上证实了体外培养胚胎干细胞分化为精细胞的可能性。他们介绍，该过程可分为三个模仿自然发展的阶段：首先，干细胞分化为原始生殖细胞；然后分化为精原干细胞（确定性别）；最后形成精子。Saitou 团队研究人员之一 Yukiko Ishikura 表示，其中，原始生殖细胞分化为精原干细胞是最难的一步，此次我们对这一分化过程的策略进行了优化。Ishikura 提到，“此前的方案下，在体外用胚胎干细胞培养生成精原干细胞比在小鼠体内分化得到精原干细胞要慢约一周，而且精原干细胞进一步形成精子的效率较低，小于 20%。”此次论文中提及，针对原始生殖细胞分化为精原干细胞这一步骤，研究人员在此前研究的基础上制定了一种优化策略，优化后策略产生的精原干细胞无论移植到不育小鼠的睾丸中，还是在体外进行培养，均能产生有活力的精子及可育后代。Ishikura 进一步介绍说，团队成员通过检测发现培养所得精原干细胞与小鼠睾丸中的细胞在关键基因表达、表观遗传学、逆转录转座子瞬间上调等方面具有一些共同特性。图 | 体外诱导培养精子（52 天）的免疫荧光分析（绿色表示精子）（来源：ASHBi）另外，为了确认精原干细胞的特性与体内产生的精细胞相同，研究人员将培养而成的精原干细胞注射到小鼠睾丸中，他们观察到，这些细胞在睾丸中发育成了精子细胞。并且，将这些精子细胞注射到卵子中培育得到的胚胎，在雌性鼠体内继续生长，最终产生了具有生育能力的健康后代。图 | 小鼠胚胎干细胞 - 雄性生殖细胞的体外分化（来源：ASHBi）而对于包括上述提到的用小鼠干细胞培养出精细胞的进展， Easley 团队论文提到，小鼠（啮齿动物）生物学、动力学与人类存在明显的差异，在非人灵长类动物和人类中，受精过程都需要父亲中心粒的遗传，而啮齿动物则不需要。因此，他们表示，非人灵长类动物模型与人类更类似，是基于干细胞探索男性不育症治疗方法的理想和必要模型。在 Easley 团队的研究中，他们将雄性恒河猴的胚胎干细胞在体外培育为未成熟的圆形精细胞，并在恒河猴体外完成受精，发育到囊胚期。该团队表示，计划在今年开展下一个关键研究 —— 将胚胎植入代孕的恒河猴体内，以检验由体外精子受精发育而成的胚胎能否成长为健康的幼崽。如果这一步成功实现了，将使用恒河猴皮肤细胞中提取的类精子细胞进行同样的培育过程。“小鼠实验之后下一步的目标无疑是像 Easley 团队这篇文章所描述的这样，只是从他们展示的数据来看，现在的研究还不够详细和系统。” 吴军表示，“我的观点是应该从发育角度出发一步一步去做，把体外产生的精细胞跟体内的精细胞做全面系统的鉴定、详细的比较，然后再进行功能性的验证，会更好一些。”据了解，Saitou 团队此前也在进行使用非人灵长类动物胚胎干细胞分化为生殖细胞的研究，目前已经在培养皿中实现从胚胎干细胞到早期生殖细胞的培育，但晚期发育尚未实现。
距应用于人体治疗男性不育，尚需大量验证和讨论
与培育其他细胞用于生命的延长不同，生殖细胞在体外环境的成功培养，在一定程度上意味着新生命 “创造” 的可能。在全球不孕不育率持续走高的大环境下，这将为男性不育的治疗带来希望。今年 5 月，国家统计局公布的第七次全国人口普查数据显示，到 2020 年，全国总人口为 1443497378 人，较第六次全国人口普查增长 5.38%。过去 10 年全国人口年平均增长率（0.53%）较 2000-2010 年（0.57%）下降 0.04%。人口增长放缓，也显示出老龄化问题的加剧。图 | 历次人口普查全国人口及年均增长率（来源：统计局网站）人口老龄化加剧的背后，除了多种因素造成的年轻人主观生育意愿降低，不孕不育趋向年轻化这一客观事实也是重要原因之一。前瞻产业研究院发布的辅助生殖行业投资报告显示，近 10 年来，中国不孕不育人数迅速增长。1995 年左右，中国不孕不育率为 3% 左右，但在 2012-2019 年间，这一数字达到 16.4%。到 2020 年，中国的不孕不育率约为 16.9%，且预计短期内仍将保持上升趋势。2020 年，中国辅助生殖市场规模约为 330 亿元，较上一年增长了 13.40%。另据弗若斯特沙利文调研预计，中国不孕不育率到 2023 年或将增长到 18.2%。在无法实现自然生育的夫妇群体中，试管婴儿、体外受精、配子移植、干细胞疗法等辅助生殖技术成为其选择的主流方案，也是最后的希望。其中，对于女性不孕目前国内已有用脐带间充质干细胞治疗卵巢早衰、通过诱导多能干细胞重编程子宫细胞治疗子宫内膜异位症等的成功案例；对于男性精子质量差、精子畸形导致的不育，体外受精、试管婴儿等方式辅助精子在体外通过人工的方式与卵子结合，也已成为常见的治疗方案。但对于无法产生可用配子的不育症男性，尚缺少有效的治疗方案。因为即便是使用辅助生殖技术，产生可用的精子、卵子也是最大的前提。“Mitinori Saitou 团队在小鼠模型上实现的胚胎干细胞分化成精细胞这一研究，为未来应用于人体，治疗男性不育提供了可能性。” 吴军说道。如前文吴军所提到的，虽然目前 Easley 团队在体外培养皿中实现了将胚胎干细胞培养为精细胞，但未经过与体内自然产生的精细胞对比，很多可能存在的安全隐患并未观察到。“而且，不仅仅是技术方面有待进一步探索、优化和验证，伦理方面也有很多问题需要讨论。” 吴军表示，“现在谈这一技术应用于人体为时尚早，我觉得未来还是需要做很多安全性的检测，体外功能性验证、伦理上的讨论才可能真正应用到临床。他预测，“可能在未来 2-3 年能够看到在体外产生类似于人类精子细胞的研究文章。而应用于临床，可能还需要 5-10 年的功能性、临床安全性研究，以及伦理上的讨论。” 未来如果这一技术发展成熟，或将成为治疗男性不育的有效方案。另一方面，在吴军看来，“相比体外生成精子，体外培养卵子可能是大家更关心的一个方向，毕竟每位女性产生卵子的数量是有限的，而且随着年龄的增长，卵子的质量和功能也会慢慢下降。”
https://news.uga.edu/breakthrough-for-treatment-male-infertility/
https://www.fertstertscience.org/article/S2666-335X(21)00066-5/fulltext
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.08.005
https://ashbi.kyoto-u.ac.jp/news/20210908_research-result_saitou/
