人造生殖细胞重大进展:体外“复制”精子发育关键步骤成功!

生物医学
人造生殖细胞重大进展:体外“复制”精子发育关键步骤成功!
麻省理工科技评论 2018-01-06

2018-01-06

而今,科学家们离实验室培育人工生殖细胞又近了一步。
发电器官
而今,科学家们离实验室培育人工生殖细胞又近了一步。

母亲的卵子,父亲的精子,共同完成了一个新生命的孕育,对于一些恋人来说,孩子不仅是他们生命的延续,更是一种纽带、一种期许,当生命的列车不停的向前奔驰,孩子们承载的不仅是父母的祝福,更有先辈们对未来美好世界的愿景和希冀。 但疾病、年龄、意外,总是可以那么轻而易举地剥夺很多人的权利,让他们的生殖细胞出现问题,无法完成生命的延续。而今,科学家们离实验室培育人工生殖细胞又近了一步。 

在不久前的进步教育信托基金年度会议上,来自剑桥大学格登研究所生殖和表观遗传学研究中心的负责人 Azim Surani 做了一个报告,对他们团队近期在体外培育人类精子方面的工作发现做了介绍。报告题目为“缩小差距——从体细胞到生殖细胞”(Closing the Gap between Soma and Germ Cells)。该团队首次在体外真正意义上复制了人类精子发育形成的关键生化步骤,这意味着未来科学家们很可能可以通过干细胞甚至是体细胞诱导分化出生殖细胞,进而孕育婴儿,未来父母的身份将不受身体条件、年龄甚至性别的限制,这一进展可谓是实验室培育人工生殖细胞的里程碑式事件。

事实上,模拟自然条件下精子生成所经历的复杂生理生化过程是一个巨大的挑战,而这个过程也很漫长,需要持续大约 8 周。Surani 和他的团队则紧追这个发育过程,希望从中得到需要的信息。一般来说,从胚胎细胞发育成生殖细胞,在最初的几周时间内,人类精子和卵子的形成过程并没有明显区别,大约在第 8 周,它们开始分道扬镳。

研究人员首先开发出了称为性腺类器官的微型人造睾丸,在培养皿中模拟精子发育过程中的所需环境,包括一些悬浮在凝胶中的性腺细胞团,这些混合物似乎为人工精子的发育成熟提供了正确的生化信号。在这个“漫长”的发育过程中,Surani 和他的团队已经成功地征战了半程——人工精子可以达到大约 4 周的发育状态,并且经历了一个叫做“擦除”的关键阶段。

随着人类的生长衰老,外界环境及生活习惯(如吸烟)的影响,我们的遗传信息中常会被动的留下岁月的痕迹,这些也被称为表观遗传标记。这些 DNA 上留下的痕迹很可能随着生殖细胞遗传给后代,但事实上,在卵子受精后不久,大多数痕迹都被“擦除”了,而这一过程也保证了后代的尽可能少的受到父母所处环境的负面影响。

而当胚胎干细胞发育成卵子或精子时,伴随着的是更彻底的“擦除”重置。在 Surani 最新的研究中,详细阐明了细胞在体外培养皿中所经历的这个过程。“这个过程非常广泛全面,绝无仅有”,Surani 介绍到,“而我们已经观察到这个过程的开始了”。实际上,人工精子或是人工配子的研究一直充满竞争的,而 Surani 总是能比别人走的更远一些。

早在 2012 年,日本科学家 Mitinori Saitou 和 Katsuhiko Hayashi 就已经研发出将小鼠胚胎干细胞、诱导性多能干细胞诱导出原始生殖细胞的技术。但局限是,体外培养后,研究人员需要将这些原始生殖细胞移植入成年小鼠体内,才能获得卵母细胞。

同年,Mitinori Saitou 的团队成功将小鼠的皮肤细胞及胚胎干细胞体外诱导出人工精子,这是人类首次在体外培育出人工精子,随后精子被转入小鼠体内,成熟后的小鼠成功使卵子受精发育成为小鼠。2015 年,中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所李劲松团队他们将一个精子头部放入一个已经移除了细胞核和遗传物质的卵细胞中,获得了一个类似胚胎细胞的干细胞,但没有尾巴,无法游动,具有类似精子的功能。这种人工精子能使卵细胞受精,并培养成小鼠幼崽。 

2016 年 10 月,Katsuhiko Hayashi 带领团队将小鼠的皮肤细胞诱导出人工卵子,并成功受精发育成健康小鼠,这是世界上首次完全体外诱导出人工卵子。但啮齿类动物(小鼠)模型的成功并不能与人类实验等同。相比于人类 8 周,小鼠 13 天的发育成熟周期显得有些简单,而且即使是具有自然配子的相似形态,也不能保证具有正确的分子细节和生理阶段。

而验证人工配子的唯一方法就是用这些实验室诱导的人工精子和人工卵子造出一个婴儿,但这显然又有悖伦理,遥遥无期。那么如果跨越了伦理、道德、法律的束缚,人工配子将会给我们、给社会带来什么呢?

我们都知道,小小的一颗精子,却储存了父亲一半的遗传信息,而发育成熟的过程更是复杂。精子由精原细胞发育而来,经过分裂增殖成为精母细胞(分为初级精母细胞及次级精母细胞),精母细胞在经历了减数分裂的不同阶段后,分裂成为精子细胞。随后,精子细胞经历一系列形变成为成熟的精子。在精子发生过程中,时间及空间都具有严格的顺序性,各个阶段既独立又紧密联系。一般来说,人类精子从发育到成熟大约需要 8 周时间,每克睾丸组织在 24 小时内生成的精子数目约为 300-700 万。 

但看似茫茫沧海却没有许多遗珠,近年来,科学家们发现人类精子的质量正在慢慢降低,由以色列流行病研究学者 Hagai Levine 带领的团队通过对澳大利亚、北美及欧洲等 42935 名男性精液样本的研究分析发现,近 40 年来人类精子浓度整体下降了 52.4%,总数下降了 59.3%,更可怕的是,似乎还有愈演愈烈的趋势。而中国男性同样也未能逃脱这个噩梦,2016 年刊登的一篇刊登于 Fertility and Sterility 的论文显示,从 2001 年到 2015 年的 15 年间,中国年轻成年男性的捐精合格率从 55.78% 骤减为 17.8%,特别是在精子浓度、总精子数量以及精子形态等方面。在如此严峻的形势下,似乎在不久的将来,人类的自然繁衍也将成为一个不容忽视的问题,而由人体细胞诱导生成人工精子不失为一种完美的补救方法。

这样的技术同样能够造福不孕不育的女性,患者将不再需要药物刺激卵巢获得卵子,同样,患病的男性也不需要经受身体和心理的双重折磨,一点皮肤细胞,也许就可以帮助他们延续血脉。对于同性恋人或是变性恋人,一方提供皮肤细胞诱导成为卵子,一方同样提供皮肤细胞诱导成为精子,只需一个代孕母亲,这些特殊的恋人便会和普通人一样拥有属于他们的爱情结晶,真正的共享基因血缘,建立一段更加稳固的婚姻或家庭关系。目前该研究的相关论文处于提交状态,我们也将密切跟进该研究的细节及进展。

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