精子的檢測

精子是男性的生殖細胞,其品質對於是否能與卵子成功結合而發育成正常胚胎關係重大,故必須有精準的檢測方法以確保精子的品質。傳統的方法雖能初步檢測精子,但對於精子染色體是否有缺失,仍無法加以確認,特別是異常配子導致子代發生不平衡轉位的情形。幸運地,螢光原位雜交(FISH)已被開發出來用於分析染色體異常,可能有潛力用於檢測平衡轉位帶因者的精子染色體異常,惟仍需進一步驗證,才能開發作為臨床應用。

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撰文|陳淵銓

●精子的認識

精子(精蟲,spermatozoan)的構造由頂體、細胞膜、細胞核、粒線體及鞭毛所組成,精子運動時需要大量的能量來使其蝌蚪尾巴活動,而所需的燃料來自果糖。精子與卵子結合前必須經歷「獲能(capacitation)」的重要階段。精液中含有成分為醣蛋白的「去能因數」,可抑制精子的頂體酶系統(如頂體素、神經胺酶、硫酸脂酶、透明質酸酶、放射冠分散酶及唾液酸苷酶等)的活性,故精子原本是處於一個「去能(decapacitation)」的狀態。然而,精子進入陰道後,陰道中存在含有澱粉酶的「獲能因數」,可水解去能因數,使精子進入獲能狀態,促成頂體酶系統釋出溶解酵素以執行頂體反應(穿孔體反應,acrosome reaction),進而溶解卵子的放射冠和透明帶(zona pellucida),精子才能在輸卵管與卵子結合形成受精卵,進而發育為胚胎,達成受精的目的。

此外,當精子成功進入卵子後,會立即與透明帶的醣蛋白ZP2結合以激活透明帶反應,使透明帶發生硬化,同時卵子亦會發出指令讓卵黃膜變緊變厚,形成第二道屏障,以阻擋其他精子繼續進入,確保只有單一精子進入卵子內。

●檢測的項目及方法

眾所周知,精子的品質對於是否能夠成功受孕十分重要,但精子常因多種因素而受損甚至突變,如衰老、疾病,藥物、環境及暴露於有毒物質等。因此,精子品質的檢測十分重要,項目包含精液量、酸鹼值、液化時間、顏色及精子數量、活動力、形狀、染色體異常等。其中精子染色體的檢測扮演了關鍵性的角色,較常用的方法如下:

1.精子DNA片段分析(Sperm DNA fragmentation index, DFI):用以分析精子染色體的受損比例。當精子的DFI值愈高,表示染色體受損的程度愈嚴重,越難正常受孕。

2.精子非整倍體檢測 ( Sperm aneuploidy test, SAT):用於評估精子中異常數量的染色體(非整倍性和二倍體)的存在。

3.精子染色體核型分析(Sperm karyotyping):將精子染色體依照大小、形狀依序排列整合,根據長度、著絲點(centrosome)及條紋(banding)便可得到細胞的染色體組型圖,用於判斷細胞遺傳學(cytogenetics)。

4.螢光原位雜交(Fluorescence in situ hybridization, FISH):利用螢光探針與核酸序列的高度互補性結合,進而在特定的精子染色體的基因位點產生螢光訊號,再藉由螢光顯微鏡來判讀訊號的位置與數量。

●平衡轉位帶因者的精子染色體檢測

人類有23對(46條)染色體,若其中兩條不同對染色體發生部份片段交換,染色體的總量並未增加或減少,稱為染色體「平衡轉位(balanced translocation)」。人類發生平衡轉位的機率其實相當高(約1/500),雖然大多數帶因者的染色體總量未變,且斷裂點上也沒有重要基因,所以功能仍然維持正常,但正常細胞經減數分裂後,產生異常生殖細胞(配子)的機率很高,下一代發生不平衡轉位的機率亦隨之增加,常導致習慣性流產。以往要偵測胎兒健康情形,僅能在懷孕三個月以上時,藉由高層次超音波或羊膜穿刺才能得知胎兒染色體是否異常,對於想先期知道胎兒染色體正常與否的父母而言,目前則以作試管嬰兒加上胚胎著床前基因篩檢(Preimplantation genetic screening, PGS)最具可行性,在胚胎階段先篩檢出含有異常染色體之胚胎,再植入正常胚胎,可大幅降低流產率。然而,PGS仍有其限制,若胚胎是平衡轉位或僅有微小片段之基因改變,PGS並不能檢測出來,在懷孕後期仍須作絨毛膜取樣或是羊膜穿刺。

在2020年12月,美國研究人員Andrew Wyrobek等發表在《 PLOS One》的論文中,宣稱成功地採用一種成熟的細胞DNA分析技術-螢光原位雜交(FISH)來探測精子DNA的多種染色體缺失(如非整倍性染色體數目異常或染色體斷裂、重排)。他們認為該測定法(AM8 sperm FISH protocol)可以檢測出平衡轉位帶因者的精子染色體異常(chromosomal abnormality)。這個研究首次應用FISH技術來測定精子的染色體結構異常(aberration),在精子暴露時間有限的條件下,可以重複分析精液以區分精子是在易感性或在抗性精子發生(spermatogenesis)的階段。

自2020年起,我國已進實質入人口負成長的階段,少子化已造成很多教育、經濟及社會問題,甚至引發國安危機,政府與民間莫不希望增加人口成長率。目前不孕夫婦的數目相當多,精子品質不佳也是主要原因之一,為提升精子品質,發展精準的精子染色體檢測技術已成為當務之急。除了傳統的方法外,FISH也是良好的選項之一,但現仍處於早期研究階段,需要更多的驗證和商業開發才能在臨床上廣泛應用。

 

參考資料:
1.Berkely news center. How to Find Mutated Sperm? Just Go FISH. January 19, 2021. https://newscenter.lbl.gov/2021/01/19/finding-mutated-sperm/
2. Frias S, Van Hummelen P, Meistrich ML, Wyrobek AJ. Meiotic susceptibility for induction of sperm with chromosomal aberrations in patients receiving combination chemotherapy for Hodgkin lymphoma. PLoS One. 2020 Dec 28;15(12):e0242218. doi: 10.1371/journal.pone.0242218. eCollection 2020.PMID: 33370316 .
3.Rowe M, Rosengrave P. There and back again: A sperm's tale. Mol Reprod Dev. 2020 Apr;87(4):395-398. doi: 10.1002/mrd.23325. Epub 2020 Feb 5.
4.Oleszczuk K, Giwercman A, Bungum M. Sperm chromatin structure assay in prediction of in vitro fertilization outcome. Andrology. 2016 Mar;4(2):290-6. doi: 10.1111/andr.12153. Epub 2016 Jan 12.

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