[科普中國(guó)]-凍存50年的精子成功孕育小羊，未來或可拯救瀕危動(dòng)物

最近，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)發(fā)布了一段非常活躍的精液視頻，視頻中的精液竟然來自于五十年前！更令人稱奇的是，科學(xué)家用這份精液，成功培育出了30多只小羊。這讓人們驚嘆的同時(shí)，也看到了這項(xiàng)技術(shù)可能存在的應(yīng)用潛力。視頻：凍存50年的綿羊精子，依然充滿活力；來源： University of Sydney精液來自哪里？生活在五十年前的四只澳大利亞雄性美利奴羊，是這些精液的捐獻(xiàn)者，它們的主人是沃克家族的西爾斯。西爾斯是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富并且注重科學(xué)育種的牧民，他們家族在雅斯平原的“伍拉魯”管理著8000只羊，并與悉尼大學(xué)動(dòng)物育種項(xiàng)目保持著密切關(guān)系。1968年，悉尼大學(xué)動(dòng)物科學(xué)研究院的史蒂文.薩拉蒙(Steven Salamon)博士冷凍了這些羊的精液。沃克家族還為精液提供者的其中一只名為“弗雷迪爵士”(Sir Freddie)的公羊拍攝了照片作為留念。古今凍存精液對(duì)比：活力不相上下主導(dǎo)本次研究的悉尼大學(xué)博士后杰西卡.瑞卡德（Jessica Rickard）首先對(duì)保存了五十年的精液做了活力測(cè)試，以確定該精液是否適合人工授精。隨后，她和同事一起進(jìn)行了精子質(zhì)量的體外測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括已凍存50年精子的活力、運(yùn)動(dòng)速度和DNA完整性等。一系列測(cè)試結(jié)束后，他們使用五十年前凍存的精液為56只母羊進(jìn)行人工授精，其中34只成功受孕并誕下幼崽。同時(shí)，他們也將近期冷凍的種羊精液用于人工受精精，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用于受精的1048只種羊中，有618只成功受孕并誕下幼崽。這樣，50年前的雄性精子的懷孕率為61%，而最近冷凍精子的懷孕率為59%。它們的受精能力竟然不相上下！“我們發(fā)現(xiàn)冷凍50年的精子與冷凍一年的精子活力差別不大?！比鹂ǖ虏┦繋ьI(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)也驚訝于她們的研究結(jié)果。精液是如何凍存的？其實(shí)早在200年前，哺乳動(dòng)物的精子冷凍技術(shù)就出現(xiàn)了。1776年意大利生物學(xué)家拉扎羅.斯帕蘭扎尼（Lazaro Spallanzani）曾經(jīng)嘗試將精子儲(chǔ)存在雪中，以低溫方式保存精子。但這種凍存方式存在很大的問題：低溫時(shí)細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生冰晶，而鋒利的冰晶就像在細(xì)胞內(nèi)插入一把利劍，使得細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)源性機(jī)械損傷，引起細(xì)胞內(nèi)環(huán)境滲透壓、PH、電解質(zhì)等的改變，造成細(xì)胞致命性損傷而死亡。直到二十世紀(jì)中葉，英國(guó)生物學(xué)家克里斯托弗.波奇（Christopher Polge）等人在凍存種牛的精子時(shí)加入了甘油，為精液凍存帶來了新突破。甘油不僅可以提高細(xì)胞膜對(duì)水的通透性，還能使冰點(diǎn)降低，延緩凍結(jié)對(duì)精子細(xì)胞的損傷作用。另外，緩慢冷凍過程也可使細(xì)胞內(nèi)的水分滲出至細(xì)胞外，減少細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成，從而降低由于冰晶形成造成的細(xì)胞損傷。與甘油類似的物質(zhì)還有二甲亞砜。不同降溫速率下細(xì)胞的冷凍及冰晶生成：速度過慢時(shí)，水分大量流失，細(xì)胞皺縮失去活力（上）；速度適中時(shí)，細(xì)胞形態(tài)得以維持，且冰晶未進(jìn)入細(xì)胞（中）；速度過快時(shí)，冰晶在細(xì)胞內(nèi)生成，損壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)（下）找到了適合于精液凍存的凍存液后，精液凍存就簡(jiǎn)單多了。首先在精子細(xì)胞中加入配制好的細(xì)胞凍存液，隨后便開始凍存過程。依據(jù)不同溫度冰晶形成的速率不同，降溫過程也有一定的標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)冷凍速度開始為-1～-2℃/min，當(dāng)溫度低于-30℃時(shí)可加速，到-80℃之后可直接存入液氮中保存（-196℃）。復(fù)蘇冷凍精子時(shí)主要是要快速融化，這樣能使胞外冰晶迅速融化，防止水分滲入胞內(nèi)再次形成冰晶而損傷細(xì)胞。精液凍存過程，主要分為以下的步驟：精液冷凍50年后，為何還能孕育生命？精液與凍存液混合在一起，并在降溫速度得到控制的情況下被凍存起來，細(xì)胞膜和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)完整性得到了保護(hù)。此外，存儲(chǔ)在液氮（-196℃）條件下，細(xì)胞處于非耗能狀態(tài)，幾乎所有的生命活動(dòng)都被抑制了。在這種狀態(tài)下，其原本的遺傳物質(zhì)和細(xì)胞形態(tài)都保持原樣，在解凍后，精液中的精子就和凍存前的精子差異不大了。新生命的誕生，從精卵結(jié)合開始。研究人員將復(fù)蘇的精液人工注射受孕母羊的輸卵管中，經(jīng)母羊正常懷孕妊娠后，就誕生了羊父親精液在冷凍50年之后的小美利奴羊。研究人員（左）和冷凍精液復(fù)蘇融解后，人工受精后得到的美利奴羊（右）；圖片：Morgan Hancock/University of Sydney精液能保存得更久嗎？自二十世紀(jì)中葉，精子冷凍技術(shù)在近70年內(nèi)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了很多優(yōu)勢(shì)各異的精液冷凍技術(shù)：精子冷凍技術(shù)目前在很多方面都有應(yīng)用，比如對(duì)于某些腫瘤患者，因需要進(jìn)行相關(guān)放療、化療或手術(shù)治療，可能影響到精子的活性與功能，就可以采取精子冷凍的方式，為以后的體外受精提供了可能。另外，精子冷凍技術(shù)在畜牧業(yè)方面也可以有很好的應(yīng)用，比如構(gòu)建不同物種的精子庫(kù)，使得動(dòng)物品系的異地合作與交流、挽救瀕危動(dòng)物等方面變得更加方便與現(xiàn)實(shí)?！按舜窝蚓豪鋬?0年后，成功獲得后代的報(bào)道，是成功精子冷凍的最長(zhǎng)記錄?！?dāng)然，不同物種的冷凍保存復(fù)蘇效果會(huì)有差異的。目前關(guān)于人精子成功凍存報(bào)道的最長(zhǎng)紀(jì)錄為30年左右。這些例子都說明，精子長(zhǎng)期冷凍后，是可以保留其活性與功能的?！辟悩I(yè)生物的高級(jí)科學(xué)家，曾任職于耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院和紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院、美國(guó)基因打靶公司（iTL）和美國(guó)應(yīng)用干細(xì)胞（ASC）生物技術(shù)公司等機(jī)構(gòu)的俞曉峰博士說。他沒有參與這項(xiàng)研究。俞曉峰認(rèn)為，從理論上推測(cè)，凍存精子保存在-196℃液氮中，可以存放5萬年，而不改變其細(xì)胞成份。但現(xiàn)實(shí)情況是，在冷凍復(fù)蘇操作過程中，凍存的精子細(xì)胞難免受到損傷，從而降低其活性。一般認(rèn)為，凍存精子復(fù)蘇后，其活性也只是新鮮精子活性的約50～60%。因此，如何防止與避免精子凍存與復(fù)蘇過程對(duì)精子細(xì)胞的損傷破壞，提高精子冷凍技術(shù)及人工受精效率等方面，是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)。比如，圍繞著不同物種精子細(xì)胞特性，提高現(xiàn)有精子凍存液與稀釋液的保護(hù)效果，篩選最佳冷凍降溫及復(fù)蘇融解速率，以及人工受精最佳條件等。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，凍存馬精液的復(fù)蘇融解速率與稀釋比例，而不是冷凍降溫速率因素，對(duì)提高冷凍馬精液復(fù)蘇后，人工受精的效率，發(fā)揮了更加關(guān)鍵作用。“隨著今后精子凍存技術(shù)研究的不斷深入，優(yōu)化與完善冷凍精子復(fù)蘇人工受精的效率，打破目前的冷凍精子50年活性紀(jì)錄是完全可能的?！庇釙苑逭f道。作者 | 王鈺 廈門大學(xué) 博士研究生審稿 | 俞曉峰 賽業(yè)生物技術(shù)公司高級(jí)科學(xué)家責(zé)編 | 高佩雯文章由騰訊科普“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自科普中國(guó)