如何更精确地诊断不孕不育？

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？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。

这张图里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性几乎相等。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%，也就是说对于将近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于当时那个单细胞，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。这张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。上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。

▲所有细胞和非State 0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。

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，随着年龄的增加，肥胖和衰老会导致生殖能力的下降，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。

这告诉我们在癌症治疗的过程中，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。

本文经中国科学院公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks）授权刊登，格致论道是中国科学院全力推出的科学文化演讲，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览（中国科学院科普云平台）提供技术支持。作者：郭靖涛（中国科学院动物研究所研究员）