不成熟精蟲體外培養

不成熟精蟲體外培養

精子的製造是一項精細繁瑣的過程，從精祖母細胞（生殖幹細胞）到形成一隻可游動有受精能力的精子要經過三個階段。 

　　第一個階段為精祖母細胞的增殖與分化。精祖母細胞(Spermatogonia) 藉有絲分裂（這種分裂細胞內染色體數目維持不變）使精祖母細胞數目增加。這些增加的精祖母細胞一半恢復原來幹細胞的形態，一半則往演化成精子的方向走。第二階段為分化的精祖母細胞藉二次減數分裂使細胞染色體數目減半，變成含單套染色體的圓形精細胞。其過程是當分化的精祖母細胞演化到前細線期初級精母細胞時，染色體複製變成四套染色體，隨即進入初期精母細胞期(Primary Spermatocyte)。此時染色體數目仍為４套，然後進行第一次減數分裂，生成含雙套染色體的次級精母細胞(Secondary Spermatocyte)，再經一次減數分裂生成含單套染色體的圓形精細胞(Round Spermatid)。第三階段為圓形精細胞改變造形變成有頂體、有頭、有尾巴非常流線型的精子。一個精祖母細胞可形成四隻精子。從產生新的精祖母細胞到演化成精子需要64天的時間，中間經過層層關卡，稍有差錯的即形成無精症，造成不孕。對睪丸衰竭沒有製精能力的患者做睪丸切片檢查發現，一半的患者其睪丸組織內生殖細胞的演化都停留在第一次減數分裂前期，即粗線期階段的初級精母細胞期。見不到次級精母細胞，表示減數分裂在這個關卡發生了問題而沒有辦法繼續進行下去。 

　　在第一次減數分裂前期的粗線期階段時的初級精母細胞，其細胞內染色質進一步變粗，染色體進行基因交換重組，也進行基因的修補。同時在這個時期DNA基因也錄製了大量的mRNA(註1)，這mRNA在稍後進行的減數分裂及圓形精細胞轉變成精子時，會陸續的被翻譯成蛋白質以主導各階段精子的形成。這是減數分裂過程中最繁忙的時期，需眾多基因共同合作才能保證完成，同時也極易受其他的因素的影響而中止進行。難怪大部分的問題會出現在這個階段時間。 

　　科學家及醫學家一直苦思研究如何破解這一道造成初級精母細胞不能演化成次級精母細胞及精子的障礙關卡。在很早即有科學家將動物生殖細胞移出體外培養，嘗試讓它們發育為精子。1983年Parvien利用老鼠做實驗發現，老鼠的初級精母細胞在體外培養可演化為次級精母細胞，最後變成長形的精細胞（未成熟精子，但已有尾巴）。利用體外培養技術來觀察人類的初級精母細胞是否能在體外發育為精子的實驗可追溯到更久以前。在1971年Matte等人發現初級精母細胞可在體外培養變成圓形精細胞或長形精細胞，當時可茲證明這項結果的工具不是確實可靠，所以科學界對這項結果持保留懷疑態度。 

　　無精症在1992年單一精蟲卵細胞質注射技術未問世以前是屬於不孕的絕症之一。在這個技術被發明以後只須要很少的精子，或未成熟的長形精子，皆可使卵子受精發育成胚胎植回母體，讓不孕夫婦能擁有自己基因血統的孩子。這些精子，或未成熟長形精子，不管來自精液、副睪丸或睪丸皆可派上用場。但非阻塞性無精症（睪丸衰竭）病人仍有50％左右在做睪丸切片取精時，費盡工夫仍然找不到精子。前面提過，這些病人的精子發育很多是停留在初級精母細胞階段，少數停留在圓形精細胞階段。於是生殖學家利用前人的經驗與承傳，試將這些病人的睪丸組織做體外培養，來觀察初級精母細胞或圓形精細胞是否能在體外演化成精子或較成熟的長形精子，以圓這些不孕夫婦為人父母之願。最早將睪丸組織體外培養技術用到現代生殖科技的是ZHU醫生，他在1995年發現經由睪丸取精取得的精子在體外培養一至三天可增加精子的活動力，如此可挑較好的精子來做單一精子卵細胞注射之用。 

　　1998年法國的Tesarik做了很多的實驗發現，人類的初級精母細胞在有Sertoli細胞（睪丸細胞的一種，可提供生殖細胞營養）的存在下，於體外30℃下培養，並加上腦下垂體濾泡刺激賀爾蒙及睪酯酮（一種男性賀爾蒙）共同培養24-48小時後發現，有些初級精母細胞可轉變成次級精母細胞、長形精細胞，甚至精子。圓形精細胞也可在體外培養，轉變成長形精細胞甚至精子。而在30℃下培養是因人類睪丸一般的溫度維持在30-33℃的緣故。另外，腦下垂體濾泡刺激賀爾蒙及睪酯酮是人體製造精子所須的賀爾蒙。Tesairk醫生將此一發現利用在實際臨床上，已幫助了不少在精液或睪丸切片組織中找不到成熟精子的無精症患者，使他們能擁有自己的骨肉。Tesarik醫生是全球第一個利用圓形精細胞使卵子受精成功，並植回母體，成功生下正常寶寶的醫生。他也發現睪丸組織經體外培養之後，可篩選出較好的長形精細胞，這些經篩選後的未成熟精子使卵子受精懷孕的機會較高。筆者曾在國際會議上兩次聆聽過Tesarik關於這方面精闢的專題演講。根據他的解釋是因為這些患者體內可能有些不利精子發育的因素，當移出體外，這些不利因素不存在了，所以初級精母細胞或是圓形精細胞能有機會發育成更成熟的精子。其他像Cremades（1999年）在體外培養人類初級精母細胞時，加入恆河猴子的腎細胞也能使一些初級精母細胞進一步演化形成長形精細胞或精子。這腎細胞的功能是供給初期精母細胞生長必須的生長因子。 

　　隨著細胞體外培養技術的日益進步及先進生殖科技的幫助下，愈來愈多的無精症患者終能擁有自己基因血統的小孩，我們要感謝對這些技術的研究及發展有所貢獻的科學家及醫生，靠他們的智慧及毅力使得生殖醫學得以持續進步，也嘉惠了無數的不孕症患者。 
　

<註1>
　　RNA是由核甘酸組成的一條多核甘酸鏈，是核甘酸的聚合體。mRNA是RNA的一種，mRNA含量佔細胞的RNA含量的3-5%，DNA分子的核甘酸序列決定蛋白質的氨基酸序列，DNA是透過mRNA來指導蛋白質的合成，在細胞核內DNA轉錄成mRNA。然後mRNA將DNA遺傳訊息帶到細胞質的核糖體上作為合成蛋白質的指令，所以稱為"訊息RNA"，mRNA分子中每3個相鄰的核甘酸鹼基組成一個三聯體，三個特定的鹼基順序組成一個密碼子，一個密碼子決定一種氨基酸，mRNA在完成指導蛋白質合成後及解體。