人造睾丸要来了，还成功诞下了后代？

本文作者：宇宙辣妹

这届精子「不行」了，已是许多研究的共识。

与 50 年前相比，男性精子浓度下降了约 51.6%，精子总数下降了约 62.3%，且 2000 年后的下降趋势愈发显著。（点击查看丁香园往期报道：）

为了拯救「不行」的精子，科学家们也做出了许多努力。

最近 Science 上就发表了一篇研究，研究者从胚胎干细胞开始，在体外培养出了睾丸组织，而且这种睾丸组织，还能为生殖细胞的发育提供有效的环境。[1]

图源：参考资料 1

种下干细胞，长出「睾丸」

不论是精子发生，还是卵母细胞成熟，都涉及非常精细的细胞分裂、染色体重组和基因表达调控。任何异常，都可能影响到配子的正常发育。

为了解决这个问题，科学家们早早就开始探索配子的体外生成了。

整理自参考资料 2～13

总的来说，目前的技术已经能够将小鼠和人的多能干细胞一路培养到卵母细胞或精子，但是，这项技术一直以来都有一个重大卡点：仍然需要动物来源的卵巢组织或睾丸组织来支持配子的发育。

2021 年，有研究团队率先在体外通过干细胞培养出了类似卵巢组织的细胞，并且在这样的人造卵巢组织中，培养出了成熟的卵泡，全过程不需要任何动物卵巢组织的帮助。[13]

图源：参考资料 13

那么，是不是也能同样在体外培养出睾丸组织，让它来支持精子的发育呢？

研究的思路很简单：让小鼠的胚胎干细胞在体外重走一遍胚胎发育的路，发育成睾丸里的体细胞。

通过摸索抑制条件，研究团队成功地诱导出了一群表达睾丸支持细胞分子标志的细胞，而且这些细胞还在培养皿中自发形成了类似生精小管的三维管状结构，这就是「睾丸类器官」。

图源：参考资料 1

「土壤」准备好了，下一步就是把「种子」种进去，这个「种子」就是同样也用小鼠胚胎干细胞分化出来的生殖细胞样细胞。

把「种子」和「土壤」混合之后，神奇的事情发生了：在特定的培养条件下，这些细胞开始「自己组装自己」，形成了结构更为复杂的睾丸类器官。

这个阶段的睾丸类器官，不仅有「支持细胞」围绕形成的生精小管，有管腔内的「生殖细胞」，小管的外围还分化出了类似于平滑肌的细胞来支撑管壁。

总体来看，不管是细胞的类型还是空间排布上，都已经和小鼠真实的睾丸组织非常相似了。

图源：参考资料 1

接下来就到了研究的最后一步，也就是验证这个睾丸类器官是否能支持精原细胞的发育。

研究者们从培养了 28 天的睾丸类器官中提取出「生殖细胞」，发现这些「生殖细胞」在体外可以一直传代、增殖，这就是全体外培养出来的「生殖干细胞」。

把这些「生殖干细胞」移植到因基因缺陷而无法产生精子的小鼠睾丸内，10 周后，小鼠的睾丸中成功重建了完整的精子发生过程，并产生了形态正常的精子。

用这样发育出来的精子，对野生型卵母细胞进行单精子注射。在存活下来的卵母细胞中，绝大多数（75 个）都成功地发育成了两细胞期胚胎。把胚胎移植到母鼠子宫内，最后获得了 25 只幼崽。

等这些幼崽都长到了成年，研究团队还让其中 3 对小鼠进行了交配，最后也都成功产生了子代小鼠。

这说明，体外培养的睾丸类器官，不仅该有的结构都有了，也初步具备了支持精原细胞发育的功能。

图源：参考资料 1

自带地图，细胞自己组装成器官

要说这个睾丸类器官的形成过程中，最神奇的一步，可能就是「土壤」和「种子」的组装了。

只需要把「支持细胞」和「生殖细胞」混合，在适当的条件下，它们不仅会向着该分化的方向分化，而且还都能找到自己该待的位置，共同组装成立体结构较为完备的睾丸组织。

图源：参考资料 1

这样神奇的「自组装」现象，其实在很多类器官中都可以看到。

例如，同一个研究团队之前在 Science 上发表的另一篇研究，就是用干细胞在体外培养出「人造卵巢」。[13]

在这个研究中，干细胞来源的「卵巢颗粒细胞」，和干细胞来源的「生殖细胞」，混合到一起后，在合适的条件下，自行发育并组装出了和真实卵巢组织类似的结构。

自组织的卵巢类器官 图源：参考资料 13

2023 年发表在 Cell 上的一篇研究则在体外搭建出了具有多腔室结构的心脏类器官。[14]研究者先用干细胞分别分化出心房肌细胞、左心室肌细胞、右心室肌细胞，然后把这些细胞混合培养。

这些细胞并不会傻傻地彼此混合，而是会自己找到自己的位置，有序连接，形成一个分区明确的「多腔心」，甚至还能自发地、有节律地跳动。

自组织的心脏类器官 图源：参考资料 14

这样的现象在大脑、小肠、肝、胃、视网膜等的类器官中，也都有出现。[15～19]目前认为，这是由于细胞在发育过程中本身就携带着一整套空间组织信息，根据细胞间黏附分子、化学信号梯度和力学张力等规则，就像跟着路标一样可以找到自己该去的位置。[20]

自组织的大脑类器官 图源：参考资料 15

说回到睾丸类器官。这次科学家们已经可以搭建出形态较为完备的睾丸类器官，它还能支持生殖细胞发育到精原细胞阶段。一直到这一步，所有的细胞都是由胚胎干细胞在体外分化而来，完全不需要体内环境或者动物组织。

但是，在这个阶段之后，还是得把这些「精原细胞」移植回小鼠体内，才能继续发育成成熟的精子。

也就是说，离精子的全干细胞、全体外发育，还差了这最后一步。

图源：参考资料 1

为什么会卡在这一步？作者分析，可能是和精子发生过程中严格的减数分裂检查点有关。

减数分裂产生单倍体配子是一种高度保守的过程，为了避免产生染色体异常或有其它缺陷的配子，减数分裂的过程和结果都受到了严密的监控。[21]

而「没能通过减数分裂检查点」这个卡点，之前在用胚胎小鼠睾丸组织体外支持生殖细胞分化的时候也出现了。[9,11]

也就是说，睾丸类器官中的睾丸组织细胞，已经具备和胚胎睾丸细胞相似的能力，但两种组织共同面临的卡点，还需要未来继续优化培养方案才能解决。

不过，虽然离完全体外闭环还差那么一步，这个研究已经是「人造睾丸」领域的重大突破了。

如果将来真的能完全在培养皿中「种」出成熟的睾丸类器官，并产生有功能的精子，或许能在不育症的治疗以及濒危动物的拯救方面都有巨大前景。

策划：丁二丫｜监制：islay

参考资料：

[1]Yoshino T, Sasada H, Sato T, Nakamura T, Shirane K, Ohta H, Kamoshita M, Inoue M, Matsudaira Y, Liu C, Matsufuji M, Tachibana M, Morohashi KI, Ikawa M, Saitou M, Ogawa T, Hayashi K. Reconstitution of sex determination and the testicular niche using mouse pluripotent stem cells. Science. 2026 Feb 26;391(6788):eaea0296. doi:10.1126/science.aea0296. Epub 2026 Feb 26. PMID: 41747038.

[2]Geijsen, Niels, Melissa Horoschak, Kitai Kim, Joost Gribnau, Kevin Eggan, and George Q. Daley. “Derivation of Embryonic Germ Cells and Male Gametes from Embryonic Stem Cells.” Nature 427, no. 6970 (2004): 148–54. https://doi.org/10.1038/nature02247.

[3]Sato, Takuya, Kumiko Katagiri, Ayako Gohbara, et al. “In Vitro Production of Functional Sperm in Cultured Neonatal Mouse Testes.” Nature 471, no. 7339 (2011): 504–7. https://doi.org/10.1038/nature09850.

[4]Hayashi, Katsuhiko, Hiroshi Ohta, Kazuki Kurimoto, Shinya Aramaki, and Mitinori Saitou. “Reconstitution of the Mouse Germ Cell Specification Pathway in Culture by Pluripotent Stem Cells.” Cell 146, no. 4 (2011): 519–32. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.06.052.

[5]Hayashi, Katsuhiko, Sugako Ogushi, Kazuki Kurimoto, So Shimamoto, Hiroshi Ohta, and Mitinori Saitou. “Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell–like Cells in Mice.” Science 338, no. 6109 (2012): 971–75. https://doi.org/10.1126/science.1226889.

[6]Irie, Naoko, Leehee Weinberger, Walfred W. C. Tang, et al. “SOX17 Is a Critical Specifier of Human Primordial Germ Cell Fate.” Cell 160, nos. 1–2 (2015): 253–68. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.013.

[7]Zhou, Quan, Mei Wang, Yan Yuan, et al. “Complete Meiosis from Embryonic Stem Cell-Derived Germ Cells In Vitro.” Cell Stem Cell 18, no. 3 (2016): 330–40. https://doi.org/10.1016/j.stem.2016.01.017.

[8]Hikabe, Orie, Nobuhiko Hamazaki, Go Nagamatsu, et al. “Reconstitution in Vitro of the Entire Cycle of the Mouse Female Germ Line.” Nature 539, no. 7628 (2016): 299–303. https://doi.org/10.1038/nature20104.

[9]Ishikura, Yukiko, Yukihiro Yabuta, Hiroshi Ohta, et al. “In Vitro Derivation and Propagation of Spermatogonial Stem Cell Activity from Mouse Pluripotent Stem Cells.” Cell Reports 17, no. 10 (2016): 2789–804. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2016.11.026.

[10]Yamashiro, Chika, Kotaro Sasaki, Yukihiro Yabuta, et al. “Generation of Human Oogonia from Induced Pluripotent Stem Cells in Vitro.” Science 362, no. 6412 (2018): 356–60. https://doi.org/10.1126/science.aat1674.

[11]Ishikura, Yukiko, Hiroshi Ohta, Takuya Sato, et al. “In Vitro Reconstitution of the Whole Male Germ-Cell Development from Mouse Pluripotent Stem Cells.” Cell Stem Cell 28, no. 12 (2021): 2167-2179.e9. https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.08.005.

[12]Hwang, Young Sun, Shinnosuke Suzuki, Yasunari Seita, et al. “Reconstitution of Prospermatogonial Specification in Vitro from Human Induced Pluripotent Stem Cells.” Nature Communications 11, no. 1 (2020): 5656. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19350-3.

[13]Yoshino, Takashi, Takahiro Suzuki, Go Nagamatsu, et al. “Generation of Ovarian Follicles from Mouse Pluripotent Stem Cells.” Science 373, no. 6552 (2021): eabe0237. https://doi.org/10.1126/science.abe0237.

[14]Schmidt, Clara, Alison Deyett, Tobias Ilmer, et al. “Multi-Chamber Cardioids Unravel Human Heart Development and Cardiac Defects.” Cell 186, no. 25 (2023): 5587-5605.e27. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.030.

[15]Lancaster, Madeline A., Magdalena Renner, Carol-Anne Martin, et al. “Cerebral Organoids Model Human Brain Development and Microcephaly.” Nature 501, no. 7467 (2013): 373–79. https://doi.org/10.1038/nature12517.

[16]Sato, Toshiro, Robert G. Vries, Hugo J. Snippert, et al. “Single Lgr5 Stem Cells Build Crypt-Villus Structures in Vitro without a Mesenchymal Niche.” Nature 459, no. 7244 (2009): 262–65. https://doi.org/10.1038/nature07935.

[17]Eiraku, Mototsugu, Nozomu Takata, Hiroki Ishibashi, et al. “Self-Organizing Optic-Cup Morphogenesis in Three-Dimensional Culture.” Nature 472, no. 7341 (2011): 51–56. https://doi.org/10.1038/nature09941.

[18]McCracken, Kyle W., Emily M. Catá, Calyn M. Crawford, et al. “Modelling Human Development and Disease in Pluripotent Stem-Cell-Derived Gastric Organoids.” Nature 516, no. 7531 (2014): 400–404. https://doi.org/10.1038/nature13863.

[19]Takebe, Takanori, Keisuke Sekine, Masahiro Enomura, et al. “Vascularized and Functional Human Liver from an iPSC-Derived Organ Bud Transplant.” Nature 499, no. 7459 (2013): 481–84. https://doi.org/10.1038/nature12271.

[20]Sthijns, Mireille M. J. P. E., Vanessa L. S. LaPointe, and Clemens A. Van Blitterswijk. “Building Complex Life Through Self-Organization.” Tissue Engineering Part A 25, nos. 19–20 (2019): 1341–46. https://doi.org/10.1089/ten.tea.2019.0208.

[21]Subramanian, V. V., and A. Hochwagen. “The Meiotic Checkpoint Network: Step-by-Step through Meiotic Prophase.” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 6, no. 10 (2014): a016675–a016675. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a016675.

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