基于干细胞的新的生命繁衍方式将会出现

整理撰稿人：中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队

王玥（E-mail:wangyue@sibs.ac.cn）、许丽、徐萍

审稿专家：中科院动物所周琪研究员

干细胞以其无限增殖和分化能力在疾病治疗与药物研发等领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在目前无法治愈的疾病、组织器官构建以及修复机体损伤等方面的应用。

近年来，不孕不育的发病率逐年提升，且很多患者无法利用现有方法治愈。干细胞能否成为这种疾病的潜在疗法便成为科研人员关注的新课题。研究人员希望能够在体外诱导干细胞分化为生殖细胞，通过这种人工的方法帮助患者获得健康的精子或卵子，该领域的突破或可促进新的生命繁衍方式出现。

1 国际研究现状

在干细胞的选择上，成体干细胞大都只能分化为其所在组织的特定细胞类型，而研究人员近年来发现的生殖干细胞虽然能够向生殖细胞分化，但相关研究（尤其是雌性生殖干细胞）仍处于初期阶段，还无法在体外大量开展后续研究。胚胎干细胞理论上可以在体外分化为机体所有的组织细胞，包括原始生殖细胞（primordial germ cell，PGC），而PGC进一步分化便能够成熟为精子或卵子，因此胚胎干细胞成为开展相关研究最理想的干细胞类型。

诱导胚胎干细胞分化为生殖细胞在多年前已有科研人员开始尝试，并获得了一系列突破性的成果。2003年，美国宾夕法尼亚大学和日本三菱生命科学研究所的两个科研团队先后报道了利用小鼠胚胎干细胞构建出卵细胞[1]和精子细胞[2]，这是国际上首次报道利用多能干细胞构建出雌性和雄性生殖细胞。对体外分化生殖细胞受精能力的首次验证是在2004年，美国哈佛大学医学院的研究团队证实了小鼠“人造精子”的受精能力[3]。2006年，德国哥廷根大学和英国纽卡斯尔大学的一个研究小组利用小鼠胚胎干细胞制造出“人造精子”，并最终成功培育出7只小鼠后代，这一研究证明利用人工构建的生殖细胞可以培育出后代，不过这些小鼠均在5天—5个月内（小鼠的正常寿命2年左右）出现健康问题而夭折[4]，因此培育出正常后代成为该领域研究的瓶颈问题。2011年，日本京都大学和日本科学技术振兴机构（JST）的一个研究团队终于打破了这一技术瓶颈，他们将小鼠的胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPSC）转化为原始生殖细胞，并利用由此得到的精子培育出正常的小鼠幼崽，且这些小鼠后代在存活1年后仍然保持良好的生长状态，并繁殖出了下一代[5]。

尽管上述研究证实了多能性干细胞可在生成功能性雄性生殖细胞，但功能性雌性生殖细胞的构建领域仍是空白。2012年，同样是日本京都大学和JST的研究团队再次获得突破，他们利用小鼠胚胎干细胞和iPSC同时构建出具有生育能力的卵细胞，将两种卵细胞在体外受精后移植入雌鼠的体内后，均孕育出健康的后代[6]，该成果入选了Science杂志当年十大科学突破。

经过十几年的科研工作，小鼠多能干细胞在体外生成功能性生殖细胞的潜力获得证实，对于生殖细胞发育机理的基本认识也取得了飞跃。如果相关技术能够应用于人类，通过人工构建精子和卵子，将为不孕不育患者带来福音，可能会成为新的生命繁衍方式。

2 中国的发展现状

我国尽管没有在通过诱导干细胞分化构建生殖细胞的领域开展更多的研究，但在生殖相关干细胞领域已开展了大量的研究，且取得了一系列突破性的成果。2009年，上海交通大学的一个科研团队从成年老鼠卵巢中分离获得了雌性生殖干细胞[7]，驳斥了一直以来存在的“女性一生的卵子数量在胎儿期已确定”的理论，尽管关于该理论目前仍存在一些质疑，但这无疑也开创了人们对于生命奥秘探索的新思路。2012年，中科院的两个研究团队再次在该领域获得突破，通过核移植技术，构建出了孤雄单倍体胚胎干细胞系，并证实了这些细胞具有精子的特性，能够代替精子使卵细胞受孕，并孕育出健康的小鼠后代[8,9]。相比通过干细胞分化构建的生殖细胞，该“人造精子”具有能够在体外连续传代的优势，可以在体外对其进行一系列操作，从而具有更广泛的用途。

上述研究成果同样为生殖相关疾病的治疗奠定了基础。此外，我国在2013年还将生殖干细胞相关领域（精原细胞向生殖干细胞和生殖细胞转化的机制研究）作为国家重大科学研究计划进行立项，显示出国家对相关领域的重视，这也必将推动我国在该领域取得更大进步。仍仅限于将胚胎干细胞诱导为原始生殖细胞，而接下来向生殖细胞的分化过程则需要通过将其移植入睾丸或卵巢中完成。

其次，在面对将相关技术应用于人类这一“终极目标”时，在小鼠体内研发成功的技术可能并不完全适用，很可能会出现一系列新的问题有待科研人员解决。目前，针对人类的相关研究中获得的突破性成果较少，仅斯坦福大学的研究团队于2009年在Nature上发表了一项突破性成果，利用人类胚胎干细胞在体外培育出人工精子[10]。

最后，即使能够获得稳定成熟的技术，其中涉及的“超乎想象”的伦理问题将成为其向人类应用发展的最大障碍。例如，如果利用女性自身的细胞便可构建精子，那么意味着一个女性个体可以自行生育，而不需要男性的参与；此外，如果最终可以完全利用“人造精子”与“人造卵子”进行人工受精，那么意味着可以完全在实验室里构建出“人造婴儿”。这一切无疑都打乱了生命形成的正常过程。

因此，在科学合理的监管下，如果上述技术瓶颈获得突破，未来干细胞将在生殖领域发挥巨大作用。

3 问题及展望

尽管该领域的研究具有巨大的应用前景，但目前完成的研究仅仅是一个开端。首先，在后续研究中，除了还需要开展大量的研究验证相关技术的稳定性和缺陷外，一个亟待解决的技术瓶颈是，如何在体外完成原始生殖细胞向生殖细胞转变中涉及的减数分裂过程。只有实现对干细胞分化全过程的体外操控，才能够确保最终获得的生殖细胞的质量。在目前开展的研究中，体外诱导

1 Karin Hübner,Guy Fuhrmann，Lane K Christenson et al.Derivation of Oocytes from Mouse Embryonic Stem Cells.Science,2003,300（5623）：1251-1256.

2 Yayoi Toyooka,Naoki Tsunekawa,RyukoAkasu et al.Embryonic stem cells can form germ cells in vitro.Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States ofAmerica,2003,100（20）：11457-11462.3 NielsGeijsen,Melissa Horoschak,Kitai Kim et al.Derivation of embryonic germ cells and male gametes from embryonic stem cells.Nature,2001,427:148-154.

4 KarimNayernia,Jessica Nolte，Hans W Michelmann et al.In Vitro-Differentiated Embryonic Stem Cells Give Riseto Male Gametes that Can Generate Offspring Mice.Developmental Cell,2006,11（1）：125-132.

5 Katsuhiko Hayashi,Hiroshi Ohta,Kazuki Kurimoto et al.Reconstitution of the Mouse Germ Cell Specification Pathway in Culture by Pluripotent Stem Cells.Cell,2011,146（4）：519-532.

6 Katsuhiko Hayashi,Sugako Ogushi1,Kazuki Kurimoto et al.Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell-like Cells in Mice.Science,2012,338（6109）：971-975.

7 Kang Zou,Zhe Yuan,Zhaojuan Yang et al.Production of offspring from a germline stem cell line derived from neonatal ovaries.Nature Cell Biology,2009,11:631-636.

8 Hui Yang,Linyu Shi,Bang-An Wang et al.Generation of Genetically Modified Miceby Oocyte Injection of AndrogeneticHaploid Embryonic Stem Cells.Cell,2012,149:605-617.

9 Wei Li,Ling Shuai,Haifeng Wan et al.Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice.Nature，2012.9.30（online）.

10 Kehkooi Kee,Vanessa TAngeles，Martha Flores et al.Human DAZL,DAZ and BOULE genes modulate primordial germ-cell and haploid gamete formation.Nature,2009，462（7270）：222-225.