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相文佩教授受邀请进行《精原干细胞移植技术有望实现男性生育力的恢复》的讲座

发布时间:2021-01-19  

精原干细胞(spermatogonial stem cellsSSCs)是一种未分化的生殖细胞,在整个成年期负责精子发生。SSC移植是设想的基于SSC的疗法之一,可能恢复原位精子发生,从而使患者自然受孕。虽然近年来儿童癌症幸存者的预后显著改善,但癌症和其他疾病的化疗和放射治疗可能会导致青春期前男孩的永久性不育。最新研究进展表明,精原干细胞移植有望恢复儿童癌症成年幸存者的生育能力。2020年发表于Human Reproduction Update上一篇题为“Review of injection techniques for spermatogonial stem cell transplantation”的综述对目前应用在动物和人类睾丸中的精原干细胞移植注射技术进行了概述,并总结了SSC移植成功应用在临床中所需要涉及的优化因素,对后续相关研究的深入方向有提示性意义。

华中科技大学同济医学院生殖医学中心的相文佩教授 受邀对通过SSC移植的益处、睾丸结构的种属差异、在啮齿类动物、家畜或灵长类动物甚至人类进行的实验分析等方面进行了详细解读,并对目前的存在的局限性进行分析,对未来SSC移植在性腺毒性治疗后恢复男性生育力的应用方面提出积极的展望。

SSC移植的益处

对于大部分面临性腺毒性治疗或诊断为生殖障碍的婴儿和青春期前男孩,冷冻保存未成熟睾丸组织或细胞是唯一的生育力保存选择,因为他们没有可冷冻保存的成熟精子。已有研究证明青春期前睾丸已经含有精子发生所必需的AdAp精原细胞。因此,世界各地的几个生育中心已经收集并冷冻保存未成熟的睾丸组织或细胞,预计未来将提供基于SSC的治疗。

睾丸结构的种属差异

移植含有SSC的睾丸组织或体外繁殖的SSCs需要了解人类睾丸结构的复杂知识,与目前用作实验模型系统的啮齿类动物、家畜和非人灵长类动物相比,人类具有不同的睾丸结构。本文对可能成为移植部位的三种睾丸结构进行了种属之间的比较。生精小管、睾丸网和输出管。其中,睾丸网是由曲细精管的终末通道扩张并形成的直小管,这是精子与管腔内容物混合然后蓄积的地方。输出管起自扩张的睾丸外网,并与单个管状结构——附睾导管相连。

  生精小管:在注射诱导的小管内压力潜在增加(可能导致膜破裂)方面,生精小管壁厚度可能是与移植程序高度相关的参数。固有层中的扁平肌样细胞围绕曲细精管和基底膜,被认为通过收缩活动促进精子进入睾丸腔。与其他物种相比,人类的结缔组织板层更厚,具有更多层的扁平肌样细胞。

  睾丸网:与人、公猪和公牛相比,啮齿类动物睾丸网位于包膜下浅表位置,这使其成为啮齿类动物SSC移植的理想和可及部位。而公牛、公猪、猴和人的睾丸网位置比啮齿类动物更靠近中心,所以这些种属的睾丸网比啮齿类动物更难可视化和进入,因此需要借助成像技术(如超声检查)以达到预期效果。因为在通过睾丸外管(输出管、附睾和输精管)之前,睾丸网已经负责收集和混合曲细精液和成熟精子,所以将SSCs注射到睾丸网可能是有益的。然而,睾丸内网具有非常薄且脆弱的壁,易于穿透,因此移植过程可能会导致基质污染。

SSCs:从啮齿类动物到人

在过去半个世纪中,有不同的实验方法从啮齿类动物、家畜或灵长类动物中鉴别合适的SSC,目前已经开发了几种富集从出生后小鼠获得的SSCs的方法,如密度梯度离心、差速铺板、产生隐睾和基于细胞表面标记的选择。目前,分离SSCs最精确的方法是荧光激活细胞分选(fluorescence activated cell sortingFACS)。然而,SSC特异性标志物仍有待通过功能试验、流式细胞术和活体成像确定,在人类中,现阶段也存在不明确的SSC特异性标志物,且识别SSC特异性标志物并不是SSC移植领域面临的唯一问题,目前也缺乏SSC活性的功能评估方法来确定SSCs的存在。

SSC移植应用于动物模型

SSC移植恢复不育个体的精子发生最初在小鼠中得到证实。随后,该概念适用于许多其他哺乳动物,包括犬、猪和牛等。目前,SSC移植后小鼠、大鼠、绵羊、山羊和树鼩都有子代成功出生。不同物种中开发的SSC移植技术具有差异,这是因为相应的睾丸结构不同。在小鼠中,通过输出管注射似乎是最有效的技术,由于大鼠比小鼠更能清楚地反映人体生理并模拟人类疾病,如雄性生殖系统衰老和免疫应答,因此也对SSC移植至大鼠睾丸进行了深入研究。大多数研究人员通过睾丸网注射将干细胞移植到大鼠曲细精管中。在体外和体内也证实了SSC通过睾丸网移植的有效性。

SSC移植应用非人灵长类动物

非人灵长类动物研究为临床移植提供了宝贵的依据。目前,有4项关于SSC在非人灵长类动物中移植的研究。1999年首次报告了猴生殖细胞移植。两项研究表明,移植技术的优化是实现成功结局的关键步骤。研究结果也鼓励临床医生和科学家开发一种基于SSC移植的疗法来恢复人类的生育能力。

SSC移植应用于人类

SSC移植是因其疾病接受性腺毒性治疗或患有可能引起不孕的良性疾病的患者恢复生育能力的潜在方法。要将这种方法转化到临床,SSC移植的优化至关重要。SSC移植在临床应用中所涉及的考虑因素,如SSC移植的最佳注射部位。

无论种属如何,在准备、定位和插管方面,输精管注射均被视为最令人信服的技术。1999年进行了首次离体研究,以确定人睾丸的最佳注射途径。将台盼蓝染料通过生精小管、输出管和睾丸网三个不同区域注入大鼠离体生殖细胞。输精管注射后,人睾丸的肉眼评价显示曲细精管中无台盼蓝染料或生殖细胞。然而,一旦将针头放入正确的注射部位,通过睾丸网注射可以用染料填充睾丸网全长和附近的曲细精管。总之,由于固有层抵抗和曲细精管的卷曲结构,对输出管和曲细精管进行显微注射是不切实际的。目前人体研究的证据表明,超声引导睾丸网注射似乎是SSC移植任何其他方法中最合理、可行、有效和微创的方法。关键的是,注射准确性与SSC移植的成功直接相关。

另外,单次输注的充分性、最高效的注射量和细胞浓度及输注深度等,仍未得到解答。这些是未来的研究可以聚焦的方向。

局限性及未来展望

由于出于伦理原因无法进行人体体内实验,迄今为止,在尸体睾丸上进行的实验可提供的信息十分有限。总体而言,人类睾丸SSC移植研究的局限性与尸体睾丸的解剖学和组织学特征有关。使用尸体睾丸进行研究的缺点:间质渗透、缺血时间长等;需要改进和明确的其他因素:如何制备用于SSC移植的模型;最优注射细胞的数量;SSCs的归巢机制;将恶性肿瘤细胞重新引入患者体内的可能性等。

在动物模型中取得的显著进展对于SSC移植在性腺毒性治疗后恢复男性生育力的应用非常有前景。移植前因素(SSC扩增和繁殖、无异种条件、内分泌环境等)已被彻底研究,但出于伦理考虑,对人类SSC移植的研究受到限制。尽管已有几项人类尸体研究努力优化生殖细胞移植,但仍有挑战需要克服。为便于SSC移植向临床转化,有必要对大动物模型的细胞分离、培养方法及SSC移植技术进行优化。世界各地的几个实验室一直在严格研究这些挑战,研究者们应共同努力,帮助那些面临终生不育的患者实现生育力的恢复。

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演讲人:相文佩

华中科技大学同济医学院生殖医学中心辅助生殖科主任