Сперматогенез in vitro
Сперматогенез in vitro — это процесс создания мужских гамет ( сперматозоидов ) вне организма в культуральной системе. Этот процесс может быть полезен для сохранения фертильности, лечения бесплодия и может способствовать дальнейшему развитию понимания сперматогенеза на клеточном и молекулярном уровне.
Сперматогенез — очень сложный процесс, и искусственное восстановление его in vitro представляет собой сложную задачу. [ 1 ] К ним относятся создание микроокружения, аналогичного микроокружению семенников, а также поддержка эндокринной и паракринной передачи сигналов и обеспечение выживания соматических и зародышевых клеток от сперматогониальных стволовых клеток (SSC) до зрелых сперматозоидов. [ 2 ]
В этом процессе могут использоваться различные методы культивирования, такие как культуры изолированных клеток , фрагментированные культуры и 3D-культуры. [ 1 ]
Техническая культура
[ редактировать ]Изолированные клеточные культуры
[ редактировать ]Клеточные культуры могут включать либо монокультуры, в которых культивируется одна популяция клеток, либо системы совместного культивирования, в которых можно культивировать вместе несколько клеточных линий (не менее двух). [ 3 ] Клетки первоначально выделяют для культивирования путем ферментативного расщепления ткани яичка для выделения различных типов клеток для культивирования. [ 4 ] Процесс изоляции клеток может привести к повреждению клеток. [ 5 ]
Основное преимущество монокультуры состоит в том, что можно исследовать эффект различных воздействий на одну конкретную клеточную популяцию клеток. [ нужна ссылка ] Совместное культивирование позволяет наблюдать и экспериментировать за взаимодействием между популяциями клеток, что рассматривается как преимущество перед моделью монокультуры. [ 3 ]
Культура изолированных клеток, в частности совместная культура ткани семенников, оказалась полезным методом изучения влияния специфических факторов, таких как гормоны или различные фидерные клетки, на прогрессирование сперматогенеза in vitro . [ нужна ссылка ] Например, такие факторы, как температура, влияние питающих клеток и роль тестостерона и фолликулостимулирующего гормона (ФСГ), были исследованы с использованием методов культуры изолированных клеток. [ 3 ]
Исследования пришли к выводу, что на культуру зародышевых клеток могут влиять различные факторы, например среда, факторы роста, гормоны и температура. Например, при культивировании иммортализованных зародышевых клеток мыши при температурах 35, 37 и 29°С эти клетки пролиферируют наиболее быстро при самой высокой температуре и наименее быстро при самой низкой, однако уровни дифференцировки различаются. При самой высокой температуре дифференциация не была обнаружена, некоторые из них наблюдались при 37°C, а некоторые ранние сперматиды появлялись при 32°C. [ 3 ] Методика культивирования изолированных клеток успешно использовалась для производства спермы in vitro с использованием мышей в качестве животной модели. [ 6 ]
Исследования соответствующих питающих клеток пришли к выводу, что различные клетки могут стимулировать развитие зародышевых клеток, таких как клетки Сертоли , клетки Лейдига и перитубулярные миоидные клетки , но наиболее важными являются клетки Сертоли, но и Лейдиг, и перитубулярные миоидные клетки вносят вклад в микроокружение, которое стимулирует стволовые клетки. клетки остаются плюрипотентными и самообновляются в семенниках. [ 7 ]
Культуры фрагментов семенников
[ редактировать ]
При культивировании фрагментов яичко удаляют, а фрагменты ткани культивируют в дополнительных средах, содержащих различные факторы роста, чтобы индуцировать сперматогенез и формировать функциональные гаметы. [ 2 ] Разработка этого метода культивирования происходила главным образом с использованием животных моделей, например мышей или тканей семенников крыс.
Преимущество использования этого метода заключается в том, что он сохраняет естественное пространственное расположение семенных канальцев . Однако гипоксия является повторяющейся проблемой в этих культурах, где недостаток кислорода препятствует развитию и созреванию сперматид (значительно больше во взрослых, чем в незрелых тканях семенников). [ 2 ] Другие проблемы, связанные с этим типом культуры, включают поддержание структуры семенных канальцев, что затрудняет долговременное культивирование клеток, поскольку тканевые структуры могут уплощаться, что затрудняет работу. [ 7 ] Для решения некоторых из этих проблем можно использовать 3D-культуры.
были выделены зрелые сперматозоиды, способные к оплодотворению . В 2012 году из культуры in vitro незрелой ткани семенников мышей [ 8 ]
3D-культуры
[ редактировать ]В 3D-культурах используются губки, модели или каркасы, напоминающие элементы внеклеточного матрикса , чтобы достичь более естественной пространственной структуры семенных канальцев и лучше представить ткани и взаимодействие между различными типами клеток в эксперименте ex vivo . Различные компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллаген, агар и альгинат кальция, обычно используются для формирования геля или каркаса, который может обеспечивать кислород и питательные вещества. [ 3 ] Для размножения 3D-культур культуры клеток яичка помещают в пористую губку/каркас и позволяют колонизировать структуру, которая затем может выжить в течение нескольких недель, позволяя сперматогониям дифференцироваться и созревать в сперматозоиды.
Кроме того, встряхивание 3D-культур во время процесса посева позволяет увеличить подачу кислорода, что помогает преодолеть проблему гипоксии и тем самым увеличивает продолжительность жизни клеток. [ 3 ]
В отличие от монокультур, фрагментные/3D-культуры способны создавать условия in vitro , которые могут несколько напоминать микроокружение яичек, что позволяет более точно изучить физиологию яичек и ее связь с in vitro . развитием сперматозоидов [ 3 ]
Будущие последствия
[ редактировать ]Научный
[ редактировать ]Возможность воспроизводить сперматогенез in vitro дает уникальную возможность изучить этот биологический процесс с помощью часто более дешевого и быстрого метода исследования, чем работа in vivo . Наблюдение часто легче проводить in vitro , поскольку клетки-мишени в большинстве случаев изолированы и неподвижны. Еще одним важным преимуществом исследований in vitro является легкость изменения и мониторинга факторов окружающей среды. Существуют также методы, которые непрактичны или неосуществимы in vivo , но которые теперь можно изучить. [ 8 ]
Работа in vitro не лишена своих проблем. Например, человек теряет естественную структуру, обеспечиваемую тканью in vivo , и, следовательно, клеточные связи, которые могут быть важны для функционирования ткани. [ 2 ]
Клинический
[ редактировать ]Хотя сперматогенез грызунов не идентичен сперматогенезу человека, особенно из-за высокой скорости развития мужских репродуктивных путей, эти методы являются надежной отправной точкой для будущих применений на людях. [ 8 ]
Различные категории бесплодных мужчин могут получить пользу от достижений в этих методах, особенно те, у которых отсутствует производство жизнеспособных гамет. Эти мужчины не могут извлечь выгоду, например, из методов извлечения спермы, и в настоящее время практически не имеют возможностей для производства генетических потомков. [ 9 ]
Примечательно, что мужчины, прошедшие химиотерапию или лучевую терапию в препубертатном периоде, могут получить пользу от сперматогенеза in vitro . [ 1 ] У этих людей не было возможности криоконсервировать жизнеспособную сперму перед процедурой, и поэтому способность генерировать генетически наследственные сперматозоиды на более позднем этапе жизни неоценима. Возможными методами, которые могут быть применены (к этой и другим группам), являются индукция сперматогенеза в образцах яичек, взятых в препубертатном периоде, или, если эти образцы недоступны/жизнеспособны, новые методы, которые манипулируют дифференцировкой стволовых клеток, могут создавать SSC «с нуля», используя взрослых стволовых клеток . образцы [ 8 ]
Альтернативный метод — пересадить сохраненную ткань обратно взрослым людям, пережившим рак, однако это сопряжено с операционными рисками, а также с риском повторного внедрения злокачественных клеток. [ 10 ] Однако даже при использовании этого метода достижения сперматогенеза in vitro позволят расширить выборку и провести наблюдение, чтобы лучше гарантировать качество и количество ткани трансплантата. [ 7 ]
У лиц со здоровыми или сохранившимися ССК, но без поддерживающей их клеточной среды, можно использовать сперматогенез in vitro после трансплантации ССК в здоровую донорскую ткань. [ 7 ]
Другая группа, которой может помочь сперматогенез in vitro, — это люди с любой формой генетического препятствия к выработке спермы. Очевидной мишенью являются те, у кого нет жизнеспособного развития SSC, но также и те, у кого разный уровень остановки сперматогенности; ранее их недоразвитые зародышевые клетки вводили в ооциты, однако вероятность успеха у людей составляет только 3%. [ 7 ]
Наконец, сперматогенез in vitro с использованием клеток животных или человека можно использовать для оценки эффектов и токсичности лекарств перед тестированием in vivo . [ 3 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Ибтишам, Фахар; Хонарамуз, Али (18 марта 2020 г.). «Сперматогониальные стволовые клетки для сперматогенеза in vitro и восстановления фертильности in vivo» . Клетки . 9 (3): 745. doi : 10.3390/cells9030745 . ПМК 7140722 . ПМИД 32197440 .
- ^ Jump up to: а б с д Рейтер, Карин; Шлатт, Стефан; Эмке, Йенс; Вистуба, Иоахим (1 октября 2012 г.). «Факт или вымысел: сперматогенез in vitro» . Сперматогенез . 2 (4): 245–252. дои : 10.4161/spmg.21983 . ISSN 2156-5554 . ПМЦ 3521746 . ПМИД 23248765 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Галдон, Гильермо; Атала, Энтони; Садри-Ардекани, Хуман (23 апреля 2016 г.). «Сперматогенез in vitro: насколько далеко от клинического применения?». Текущие отчеты по урологии . 17 (7): 49. дои : 10.1007/s11934-016-0605-3 . ISSN 1527-2737 . ПМИД 27107595 . S2CID 35666011 .
- ^ Ибтишам, Фахар; Чжао, И; Ву, Цзян; Наваб, Аамир; Мэй, Сяо; Ли, Гуанхуэй; Ан, Лилонг (март 2019 г.). «Оптимизированные условия для выделения и размножения in vitro сперматогониальных стволовых клеток мыши» (PDF) . Биология Футура . 70 (1): 79–87. Бибкод : 2019BioFu..70...79I . дои : 10.1556/019.70.2019.10 . ПМИД 34554427 . S2CID 146104690 .
- ^ Хантер, Дэмиен; Ананд-Ивелл, Равиндер; Даннер, Сандра; Ивелл, Ричард (1 января 2012 г.). «Модели сперматогенеза in vitro» . Сперматогенез . 2 (1): 32–43. дои : 10.4161/spmg.19383 . ISSN 2156-5554 . ПМЦ 3341244 . ПМИД 22553488 .
- ^ Ибтишам, Фахар; Ву, Цзян; Сяо, Мэй; Ан, Лилонг; Банкир, Закари; Наваб, Аамир; Хонарамуз, Али (01 января 2021 г.). «Производство гаплоидных зародышевых клеток in vitro из мышиных сперматогониальных стволовых клеток с использованием двумерной системы культивирования клеток». Териогенология . 162 (2021): 84–94. doi : 10.1016/j.theriogenology.2020.12.024 . ПМИД 33450717 . S2CID 231623654 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Ибтишам, Фахар; Ву, Цзян; Сяо, Мэй; Ан, Лилонг; Банкир, Закари; Наваб, Аамир; Чжао, И; Ли, Гуанхуэй (12 сентября 2017 г.). «Прогресс и перспективы сперматогенеза in vitro» . Онкотаргет . 8 (39): 66709–66727. дои : 10.18632/oncotarget.19640 . ISSN 1949-2553 . ПМЦ 5630449 . ПМИД 29029549 .
- ^ Jump up to: а б с д Сон, Хе Вон; Уилкинсон, Майлз Ф. (1 октября 2012 г.). «Сперматогенез in vitro» . Сперматогенез . 2 (4): 238–244. дои : 10.4161/spmg.22069 . ISSN 2156-5554 . ПМК 3521745 . ПМИД 23248764 .
- ^ Фаттахи, Амир; Латифи, Зейнаб; Гасемнежад, Тохид; Неджабати, Хамид Реза; Нури, Мохаммед (июль 2017 г.). «Взгляд на сперматогенез in vitro у млекопитающих: прошлое, настоящее, будущее» . Молекулярное воспроизводство и развитие . 84 (7): 560–575. дои : 10.1002/mrd.22819 . ISSN 1098-2795 . ПМИД 28436137 .
- ^ Ибтишам, Фахар; Аванг-Джунаиди, Аванг Хазми; Хонарамуз, Али (май 2020 г.). «Изучение и манипуляции со сперматогониальными стволовыми клетками на животных моделях». Исследования клеток и тканей . 380 (2): 393–414. дои : 10.1007/s00441-020-03212-x . ПМИД 32337615 . S2CID 216146411 .