不成熟精虫体外培养

不成熟精虫体外培养

精子的制造是一项精细繁琐的过程，从精祖母细胞（生殖干细胞）到形成一只可游动有受精能力的精子要经过三个阶段。 

　　第一个阶段为精祖母细胞的增殖与分化。精祖母细胞(Spermatogonia) 藉有丝分裂（这种分裂细胞内染色体数目维持不变）使精祖母细胞数目增加。这些增加的精祖母细胞一半恢复原来干细胞的形态，一半则往演化成精子的方向走。第二阶段为分化的精祖母细胞藉二次减数分裂使细胞染色体数目减半，变成含单套染色体的圆形精细胞。其过程是当分化的精祖母细胞演化到前细线期初级精母细胞时，染色体复制变成四套染色体，随即进入初期精母细胞期(Primary Spermatocyte)。此时染色体数目仍为４套，然后进行第一次减数分裂，生成含双套染色体的次级精母细胞(Secondary Spermatocyte)，再经一次减数分裂生成含单套染色体的圆形精细胞(Round Spermatid)。第三阶段为圆形精细胞改变造形变成有顶体、有头、有尾巴非常流线型的精子。一个精祖母细胞可形成四只精子。从产生新的精祖母细胞到演化成精子需要64天的时间，中间经过层层关卡，稍有差错的即形成无精症，造成不孕。对睪丸衰竭没有制精能力的患者做睪丸切片检查发现，一半的患者其睪丸组织内生殖细胞的演化都停留在第一次减数分裂前期，即粗线期阶段的初级精母细胞期。见不到次级精母细胞，表示减数分裂在这个关卡发生了问题而没有办法继续进行下去。 

　　在第一次减数分裂前期的粗线期阶段时的初级精母细胞，其细胞内染色质进一步变粗，染色体进行基因交换重组，也进行基因的修补。同时在这个时期DNA基因也录制了大量的mRNA(注1)，这mRNA在稍后进行的减数分裂及圆形精细胞转变成精子时，会陆续的被翻译成蛋白质以主导各阶段精子的形成。这是减数分裂过程中最繁忙的时期，需众多基因共同合作才能保证完成，同时也极易受其他的因素的影响而中止进行。难怪大部分的问题会出现在这个阶段时间。 

　　科学家及医学家一直苦思研究如何破解这一道造成初级精母细胞不能演化成次级精母细胞及精子的障碍关卡。在很早即有科学家将动物生殖细胞移出体外培养，尝试让它们发育为精子。1983年Parvien利用老鼠做实验发现，老鼠的初级精母细胞在体外培养可演化为次级精母细胞，最后变成长形的精细胞（未成熟精子，但已有尾巴）。利用体外培养技术来观察人类的初级精母细胞是否能在体外发育为精子的实验可追溯到更久以前。在1971年Matte等人发现初级精母细胞可在体外培养变成圆形精细胞或长形精细胞，当时可兹证明这项结果的工具不是确实可靠，所以科学界对这项结果持保留怀疑态度。 

　　无精症在1992年单一精虫卵细胞质注射技术未问世以前是属于不孕的绝症之一。在这个技术被发明以后只须要很少的精子，或未成熟的长形精子，皆可使卵子受精发育成胚胎植回母体，让不孕夫妇能拥有自己基因血统的孩子。这些精子，或未成熟长形精子，不管来自精液、副睪丸或睪丸皆可派上用场。但非阻塞性无精症（睪丸衰竭）病人仍有50％左右在做睪丸切片取精时，费尽工夫仍然找不到精子。前面提过，这些病人的精子发育很多是停留在初级精母细胞阶段，少数停留在圆形精细胞阶段。于是生殖学家利用前人的经验与承传，试将这些病人的睪丸组织做体外培养，来观察初级精母细胞或圆形精细胞是否能在体外演化成精子或较成熟的长形精子，以圆这些不孕夫妇为人父母之愿。最早将睪丸组织体外培养技术用到现代生殖科技的是ZHU医生，他在1995年发现经由睪丸取精取得的精子在体外培养一至三天可增加精子的活动力，如此可挑较好的精子来做单一精子卵细胞注射之用。 

　　1998年法国的Tesarik做了很多的实验发现，人类的初级精母细胞在有Sertoli细胞（睪丸细胞的一种，可提供生殖细胞营养）的存在下，于体外30℃下培养，并加上脑下垂体滤泡刺激贺尔蒙及睪酯酮（一种男性贺尔蒙）共同培养24-48小时后发现，有些初级精母细胞可转变成次级精母细胞、长形精细胞，甚至精子。圆形精细胞也可在体外培养，转变成长形精细胞甚至精子。而在30℃下培养是因人类睪丸一般的温度维持在30-33℃的缘故。另外，脑下垂体滤泡刺激贺尔蒙及睪酯酮是人体制造精子所须的贺尔蒙。Tesairk医生将此一发现利用在实际临床上，已帮助了不少在精液或睪丸切片组织中找不到成熟精子的无精症患者，使他们能拥有自己的骨肉。Tesarik医生是全球第一个利用圆形精细胞使卵子受精成功，并植回母体，成功生下正常宝宝的医生。他也发现睪丸组织经体外培养之后，可筛选出较好的长形精细胞，这些经筛选后的未成熟精子使卵子受精怀孕的机会较高。笔者曾在国际会议上两次聆听过Tesarik关于这方面精辟的专题演讲。根据他的解释是因为这些患者体内可能有些不利精子发育的因素，当移出体外，这些不利因素不存在了，所以初级精母细胞或是圆形精细胞能有机会发育成更成熟的精子。其他像Cremades（1999年）在体外培养人类初级精母细胞时，加入恒河猴子的肾细胞也能使一些初级精母细胞进一步演化形成长形精细胞或精子。这肾细胞的功能是供给初期精母细胞生长必须的生长因子。 

　　随着细胞体外培养技术的日益进步及先进生殖科技的帮助下，愈来愈多的无精症患者终能拥有自己基因血统的小孩，我们要感谢对这些技术的研究及发展有所贡献的科学家及医生，靠他们的智慧及毅力使得生殖医学得以持续进步，也嘉惠了无数的不孕症患者。 
　

<注1>
　　RNA是由核甘酸组成的一条多核甘酸链，是核甘酸的聚合体。mRNA是RNA的一种，mRNA含量占细胞的RNA含量的3-5%，DNA分子的核甘酸序列决定蛋白质的氨基酸序列，DNA是透过mRNA来指导蛋白质的合成，在细胞核内DNA转录成mRNA。然后mRNA将DNA遗传讯息带到细胞质的核糖体上作为合成蛋白质的指令，所以称为"讯息RNA"，mRNA分子中每3个相邻的核甘酸碱基组成一个三联体，三个特定的碱基顺序组成一个密码子，一个密码子决定一种氨基酸，mRNA在完成指导蛋白质合成后及解体。