男性不育依然还有很多未知因素，只有结合基础科学和临床医学，才能真正帮助到病人。
郭靖涛 · 中国科学院动物研究所研究员
格致论道第106期｜2023年12月2日 北京
大家好，我是郭靖涛，来自中国科学院动物研究所。我今天要跟大家分享的是不孕不育。虽然大家可能经常会在电线杆的小广告上面看到，但是它实际上是一个很严肃的科学问题。
在开始之前，我想问下大家是否知道自己身边多少人有不孕不育的困扰吗？应该是挺多的。我们国家现在不孕不育的比例正在逐年攀升，从2000年的3%上升到了现在（2023年）的18%，目前患者数量已经超过了400万。
不孕不育是谁的原因？
下面这张图展示了从配子受精完成到受精卵发育，最后到达子宫着床的过程。值得强调的是，男方付出的只有精子这一个细胞，剩下的都是女方负责——不仅是卵子，还有胚胎发育所需要的环境支持。
如果一对夫妻遇到了不孕不育的问题，他们会到医院就诊。针对男性，我们首先会做血常规的检测，然后是精液的检查，包括精子的形态、数目、活力以及染色体的形态、核型的检查，费用大概是800元，而女性除了血常规之外，还要做一系列复杂的检查，整体费用高达5000元，体现出非常明显的不平衡。如果他们后续决定辅助生殖，也就是通过试管婴儿孕育后代，女性在经济、身体和时间上所付出的成本都是要远远高于男性的。
下图是去辅助生殖中心做试管婴儿的步骤和花费。可以看到，男性除了检查之外只要完成精子冻存就可以了；但是女性做完检查之后，还要完成一系列的手术才能保证胚胎最后能成功地发育。男方费用只要不到5000元，而女方却要将近4万元，这样巨大的悬殊，是不是意味着不孕不育的主要原因是女性呢？
其实不是这样的，根据多份统计的结果，男女因素造成不孕不育的可能几乎相等。而之所以对男性做的检查比较少，是因为我们对男性的研究比较少。比如男性不育的一个重要病因就是精液异常。
但在临床诊断发现的精液异常里，现有的研究只能解释35%，也就是说将近65%的精液异常我们并不清楚病因。
那是否可以从男性的角度进行诊断和治疗，更大地减轻女性的负担，从而达到事半功倍的效果呢？
能生产精子的干细胞
这个课题非常有趣，但是我2013年从北京大学生命科学学院毕业的时候，并没有想到这个课题。我到美国读博做的是另外一个课题——早期的胚胎发育。
所有人都由一个单细胞发育而来，人体现在所有的细胞都来自当时那个单细胞，无论是心脏细胞、皮肤细胞还是血液细胞，它们都共享同一套DNA，和人之初的受精卵一模一样。
不过，它们虽然共享同样的DNA遗传物质，却有着完全不一样的形态和功能，这个形成过程是发育生物学中非常重要的问题。具体到我个人的研究方向。由于胚胎是由受精卵发育而来，我们就想研究配子是如何帮助受精卵发育的。
配子分为两类，一类叫做精子，由男方产生；另一类叫做卵子，由女方产生。精子的个头小，数目多；而卵子的个头大，数目少。
但更重要的是，成年男性有终身产生精子的能力，可女性卵子的数目在出生的时候就已经固定了。其中一个重要的原因是因为精子有干细胞，而卵子没有。
我们想研究的是能够产生精子的特殊干细胞——精原干细胞，它是男性体内唯一能够产生精子的干细胞。我们体内的各种器官和各个组织都有对应的干细胞，干细胞意味着这些细胞可以不停地自我繁殖和分化，在组织的形成和器官的再生等方面起到很重要的作用。
精原干细胞重要的特征之一就是能无限分化，因此能让男性终身产生精子，并且男性大约每秒钟就能产生1500个精子。下图是目前统计能够产生后代的年纪最大的老人，他的年龄是96岁，这对于女性来说是难以想象的。更重要的是，这类干细胞的发育既是生殖细胞发育的终点，又是新生命发育的起点，因此它和别的所有干细胞都有非常大的不同。
这是一个人类睾丸组织的切片，它有很多管状的结构，而所有的生殖细胞的发育都是在这种曲精小管里进行的。可以看到，干细胞更靠近小管的管壁，随着分化，干细胞会逐渐走向管腔中间，精子最后就会停留在这个管子中间。
尽管精原干细胞非常重要，但对它的研究却很有限。首先是因为我们很难获得足量的人类样本，目前的研究大多依赖小鼠等动物模型。可人和鼠之间有很大的不同，所以研究小鼠模型没有办法提供足够多的知识帮助我们理解人类。另外我们还非常缺少合适的实验手段进行验证，这会导致实验室产生的结果和临床的结果不适配。
想解决这个问题，首先要和临床、遗体器官捐献中心进行合作，获得大量的人类睾丸样本。值得强调的是，我们所有样本的获得都经过了国内和国际伦理的审批，符合各个国家的法规。在此也非常感谢这些病人和他们的家属愿意把宝贵的器官捐献出来，让我们进行基础的科学研究。
发现人类独有的精原干细胞
有了这些宝贵的样本后，要怎么开展研究呢？
不同细胞之间的基因表达是有差别的，以最新的单细胞测序技术为例，首先要把它制备成单细胞悬液，把细胞一个一个打散后，通过单细胞测序对每一个细胞内部的基因表达情况进行分析，了解每个细胞里面有哪些表达和不表达的基因，最后得到结论。
通过这样的方法，我们发现成年人的体内有一类特殊的精原干细胞类型State 0，或者叫状态0。下面是我们实验室里拍到的照片，这里面红色代表的是State 0特有的标签，蓝色就是所有细胞核的标签。可以看到，红色大概分布在曲精小管管壁，和刚才说到的干细胞的位置是一致的。
为了进一步证明这一类干细胞在发育上确实和早期的细胞一致，我们把成年人的细胞和一岁婴儿处于未分化状态的细胞进行了比较，发现成年人中的 State 0细胞确实和婴儿的非常相像，从发育的角度上证明了成年人的细胞确实是非常早期的。
但仅仅这样还不够，但作为一名干细胞的研究者，我还想问，这种干细胞的功能是什么？
其实很简单，只要把干细胞从一个个体里面提取出来，然后把它注射到另外一个个体内就行。干细胞一定要满足两个条件，第一是能在一个新个体里定植、存活，并自我复制；第二步是它们能够继续分化。如果这两个条件都能满足，它就是一个干细胞。
但由于这是人类样本，无法实现从一个人到另外一个人的移植，我们就用了一个实验室常用的手段，叫做异种移植——把人的细胞移植到小鼠里。由于小鼠和人还是有差异的，所以这个细胞到小鼠体内之后大概率只能定植，无法分化。
所有细胞和非State 0细胞
当我们把在人体里找到的State 0的细胞移植到小鼠的睾丸内，发现和非State 0细胞或者所有细胞（即没有经过任何分化的细胞）相比 ，State 0细胞的定植能力要强得多，这也在功能上证明了它们就是干细胞。
有意思的一点是，这类State 0的细胞在小鼠的身体里是找不到的，这也是我们能发现这类细胞的原因。如果用小鼠做模型研究，再去推导人类的结论，就会发现它是不成立的。所以我们先去研究人，发现了这类细胞，才发现它在小鼠里是不存在的。
为什么这类重要的细胞在小鼠中找不到呢？我们推测，其中一个重要原因就是青春期。小鼠的青春期很短，在出生之后24天左右就会进入青春期，持续到第35天青春期就结束了。也就是说，小鼠在出生之后1个月左右就能产生精子，两个月左右就能产生后代了。但是，人类的青春期大约在9至10岁，持续时间大约是2到3年，所以人和鼠之间的青春期无论是开始还是维持时间都有巨大的差异。
我们认为State 0细胞在其中起到关键的作用，因为小鼠需要快速地分裂细胞，而人却需要一个长时间比较稳定的环境，而State 0细胞作为最原始的、婴儿时期就存在的干细胞，恰好就有这个功能。
如果State 0细胞出了问题
有意思的问题来了，如果人没有State 0细胞，会出现什么情况呢？
此时，一种叫做克氏综合征的疾病引起了我们的注意。它是一种染色体异常的疾病，在新生男婴中的发病率大约是1/1000，病因是多一条X染色体。正常的人有46条染色体，性染色体是XY，但是患有克氏综合征的人性染色体是XXY。
这些病人在外形上有一些差异很大的特征，而在生殖上通常为不育，表现为性腺功能低下、雄性激素分泌不足、生精功能受损等等。
我们研究这类病人后，发现他们没有State 0干细胞，这导致生殖细胞没有办法完成分化。所以，我们现在的工作是要进一步探究为什么生殖细胞多了一条X染色体之后就没有办法很好地存活了。
那么，如果这些干细胞变少了会发生什么呢？自然而然，我们就联想到了衰老。虽然老人也有产生精子的能力，但他的生育能力是在不断下降的。干细胞在这个过程中是否起了作用呢？
为了验证这个问题，我们研究了一些二三十岁年轻人和六十岁以上老年人的样本，发现年轻人的干细胞和生精能力都是正常的，但是老人之间却存在着参差：有些老人的干细胞和生精能力没什么问题，但是有一组老人的干细胞变少了，生精的能力也变弱了。
这些生精正常的老人的BMI（身体质量指数）一般都小于30，而生精、干细胞有问题的老人的BMI一般都高于30，也就是说他们偏肥胖。年轻时肥胖可能不会导致过大的生殖表型，但是随着年龄的增加，肥胖和衰老会导致干细胞的降低和生殖能力的下降，所以干细胞的数目减少了。
那老年人的干细胞的功能有没有降低呢？我们同样做了定植的实验，把不同组的干细胞提取出来注射到小鼠体内后，发现虽然老年人State 0的干细胞数目变少了，但是它的功能没有受损。
这其实是一个好消息，因为它告诉我们这些细胞其实很顽强，尽管受到外界环境的影响数目减少了，但如果环境改善了，干细胞还是很有可能重新恢复能力的。
接下来，如果这些细胞受到了损伤会发生什么呢？这个问题对癌症患者是非常有意义的，因为生殖细胞对化疗、放疗的手段非常敏感，癌症放化疗时都有可能导致不育，这是不是由于干细胞非常敏感呢？
我们把人的睾丸组织拿出来在体外培养，并施加了常见的化疗药物顺铂处理。发现相较于没有处理的组来说，用药组干细胞的数目有明显的降低，意味着顺铂能够明显影响精原干细胞。
这告诉我们癌症治疗的过程中，的确需要考虑到不同治疗手段对生殖细胞的影响。我们能否在未来找到一个最优解，既能杀死癌细胞，又尽量保护生殖细胞呢？
干细胞无论是变少还是消失，都没有产生病变，但是它们一旦生病癌变了，会导致一种特殊的生殖肿瘤，叫精原细胞瘤。
为什么这些细胞会误入歧途变成肿瘤呢？因为它里面有一个基因叫TFAP2C，高表达之后就可以在显微镜下看到存在肿瘤表型。我们通过细胞实验，把TFAP2C基因消灭之后，发现无论是肿瘤的迁移能力还是侵袭能力都有所减弱，因此这个基因具有促进肿瘤迁移和增殖的功能。
这意味着精原细胞瘤可能源于TFAP2C，所以它将可能是未来治疗精原细胞瘤的新靶点和可能性。
治疗男性不育的新策略？
最后，我想分享一下我们正在做的新尝试。
在实验室研究了那么多不同的样本，我们正努力把这些基础研究和真实的临床需求结合起来。比如检查男性的不育，只看精子的数目、质量或者运动能力是远远不够的，因为干细胞也起到了很关键的作用。除了常规的精液检查，还要观察干细胞的状态。
有了精准的检查，才能基于干细胞和再生医学的方案治疗男性不育，比如开展干细胞体外培养，监测它的状态，优化培养环境，通过优化后的环境让这些干细胞重新获得变成精子的能力，这是未来治疗男性不育的新策略之一。
我们正在尝试建立精原干细胞体外培养的方案，在体外培养了7天、14天、21天后，可以看到成团里的细胞数目在逐渐增多。当然，我们还需要更多的实验验证它们确实保持了干细胞的状态，我对这项技术的前景非常乐观。
最后和大家分享一下我的感悟。第一，从科研的角度来说，男性不育依然还有很多的未知因素，只有把基础科学和临床医学结合，才能真正帮助到病人；第二，科研最大的魅力就是探索未知，正是这些未知激励着我们不断地前行。
谢谢大家！
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