人類生育力下降，已經成為越來越嚴重的社會問題。相關數據顯示，全球不孕不育患病率從1997年的11.0%上升到了2017年的15.0%，根據推算，在人口增速放緩的當下，到2023年時，在不足7億的育齡人口中，預計將有超過1.12億人面臨不孕不育。中國育齡夫婦的不孕不育率從20年前的2.5%-3%攀升到近年18%左右，不孕不育夫妻約有6000萬對。隨著環境污染、生育年齡推遲、生活壓力等原因，不孕不育夫婦人數還在不斷增加。
生育危機的到來，讓更多科學家瞄準生育問題，希望能夠借助更多科學手段緩解這一難題。近日，日本京都大學的研究人員在Cell子刊《Cell Stem Cell》上發表了題為“>In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells”的研究文章，研究人員通過小鼠多能干細胞分化出了有功能的精子，并且用這些精子給雌鼠授精，成功誕生了健康、有生育能力的后代。研究人員表示，這為在試管中產生男性生殖細胞提供了迄今為止較全面的模型。
多能干細胞(Pluripotent Stem Cells)是一類具有自我更新、自我復制能力的多潛能細胞，它不僅可以幫助我們理解人類發育過程中的復雜事件，更重要的是，它在器官再生、修復和疾病治療方面極具應用價值。此前，國內外都已經擁有了利用干細胞培育人造精子的案例，但是，很少有研究會考慮培育階段的關鍵生理過程，而此次發表的研究，則填補了這一空白，以一種忠實于發育和生理學的方式在體外重建了男性生殖細胞發育過程。
男性生殖細胞發育包括三個不同的階段：第一階段開始于原始生殖細胞（PGC）的規范化，并通過表觀遺傳重編程將其分化為生殖細胞；第二階段涉及男性的性別決定以及隨后的精原細胞/精原干細胞（SSC）的分化，這一階段將同時獲得雄激素表觀基因組；第三階段是精原細胞/精原干細胞的精子生成階段，通過減數分裂和精子生成產生單倍體精子。
研究人員模擬了這一自然發育階段來培育人造精子：首先，將干細胞分化為原始生殖細胞；然后分化為精原細胞；后續分化為精子。其中，第二階段面臨的挑戰大，先前建立的小鼠精原干細胞制造方法所需的培養時間長，比在體內分化慢一周左右，并且生成精子的效率較低，不到20%，因此，研究團隊決定對這一分化過程進行優化。
針對第二階段，研究人員建立了一種“重建睪丸新方法”（new reconstituted testis method），改進中間培養液，以氣相-液相培養法制造出雄性生殖細胞。他們在8種不同的條件下測試了10000多個細胞。幸運的是，分化得到的精原干細胞與小鼠睪丸中的細胞有許多共同的特性，包括關鍵基因的表達、表觀遺傳學以及逆轉錄轉座子的瞬時上調。
為了證實分化得到的精原干細胞與體內產生的相同，研究人員將這些精原干細胞注入到小鼠睪丸，讓它們發育成精子細胞，然后收集這些精子并注射到卵子中形成胚胎。這些胚胎后續幫助小鼠成功產下健康、可育的后代。
此次的研究，向我們真實再現了雄性生殖細胞發育的第二階段，同時也表明了將小鼠多能干細胞分化為精原細胞樣細胞和健康精子的可行性，而這一試驗下的培育過程，讓多能干細胞分化出的精原細胞在體內和體外均具有強大的生精功能。隨著生物技術的進一步迭代，體外配子形成研究將成為促進基本生殖細胞生物學和創造新醫學應用的基礎。希望這一技術研究能夠帶來更快速的進展，為更多群體謀福音。
