Cell Stem Cell | Sasaki/Whelan/郭明岳等使用多能干细胞在体外重构早期精子发生过程

男性不育患者的病因 常与 生殖细胞发育异常有关。然而，人类精子的形成需要经历数十年的复杂发育过程，早期生殖细胞样本极为珍贵，导致科学家长期难以直接研究这一过程，也限制了 人类 不育症治疗技术的发展。 在过去近十年的小鼠模型研究中，科学家成功地将小鼠多能干细胞在体外诱导成为了具有功能的精子样细胞或卵母样 细胞（ 详见BioArt报道： ； ）【1-4】

2026年7月10日，美国宾夕法尼亚大学Kotaro Sasaki研究团队在Cell Stem Cell上发表了题为Generation of spermatogonia from human and non-human primate pluripotent stem cells的文章，报道了 一种能够模拟 人类 早期精子发生的新平台。研究人员利用诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）成功产生精原细胞，并进一步发育至减数分裂前期精母细胞（preleptotene spermatocytes），为研究人类精子发生机制和未来再生医学治疗男性不育提供了重要工具。

研究首先将人体iPSC诱导分化为类似原始生殖细胞（primordial germ cell-like cells，PGCLCs）。PGCLCs虽然具有形成精子的潜能，但在传统体外培养条件下，其发育通常停留在胎儿时期的早期阶段，无法继续成熟。为了重建更加接近人体睾丸的微环境，研究人员将人源PGCLCs与小鼠胎儿睾丸体细胞混合培养，使其自组织形成三维“异种重建睾丸”（xenogeneic reconstituted testis，xrTestis）。随后，研究团队将这些人工构建的睾丸组织移植到免疫缺陷小鼠肾包膜 ( kidney capsule ) 下，利用动物体内稳定的血液供应和生理环境促进 xrTestis 长期存活和发育。

实验结果表明，移植后的xrTestis能够稳定存活至少8个月，并形成结构完整的曲细精管样结构。与此前只能培养约80天且组织逐渐退化的体外培养体系相比，新模型中的生殖细胞数量提高了约10倍，为后续研究提供了充足的实验材料。

为了准确判断这些细胞是否真正沿着人类精子发生轨迹发育，研究人员采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、免疫荧光染色、RNA原位杂交以及流式细胞分选等多种技术，对不同时间点的细胞进行了系统分析。

结果显示，人源生殖细胞依次经历了原始生殖细胞（PGC）、增殖型前精原细胞（prospermatogonia）、未分化精原细胞（spermatogonia）、分化型精原细胞（differentiating spermatogonia），最终发育至减数分裂前期精母细胞。更重要的是，这些细胞在基因表达谱、关键蛋白标志物以及发育轨迹上都与人体内对应阶段的生殖细胞高度一致，说明该体系能够 较 真实地重现人类早期精子发生过程。

研究还发现，这些人工培养的生殖细胞成功启动了piRNA通路。piRNA是一类仅在生殖细胞中大量表达的小RNA，负责抑制转座子活性、保护基因组稳定，是精子发生过程中不可缺少的重要机制。研究检测到了典型的piRNA产生特征，包括24–34个核苷酸长度分布、1U偏好以及"ping-pong"扩增信号，表明这些细胞已经具备了较成熟生殖细胞的重要分子特征。

借助这一平台，研究人员进一步验证了多个关键调控因子的功能。他们发现，NANOS3和DND1两个RNA结合蛋白对于维持生殖细胞身份至关重要。当敲除这些基因后，生殖细胞虽然能够正常产生，但随后迅速丢失生殖细胞特性，并开始表达神经细胞相关基因，说明这两个基因能够防止生殖细胞"误入歧途"。

此外，研究还探究了维甲酸（Retinoic Acid，RA）信号在人类精子发生中的作用。研究人员利用RA抑制剂处理移植小鼠后发现，精原细胞向后续发育阶段的分化明显减少，减数分裂相关基因表达下降，而维持未分化状态的基因表达增加，进一步证明RA信号在人类精原细胞分化过程中发挥重要调控作用。

值得关注的是，研究团队还将这一技术扩展到与人类亲缘关系更近的恒河猴。通过类似的方法，他们首次利用猴iPSC成功获得了精原细胞和分化型精原细胞。这意味着未来可以在非人灵长类动物中进一步验证这些细胞是否能够最终形成具有受精能力的精子，为临床转化提供更加可靠的实验基础。

尽管目前该体系尚不能产生成熟精子，细胞发育仍停留在减数分裂启动之前，但这是目前最接近人体真实精子发生过程的体外重建模型之一。它不仅能够帮助科学家深入解析男性不育相关基因和分子机制，还可用于疾病模型构建、药物筛选以及基因编辑研究。未来，随着培养条件和微环境的进一步优化，这一平台有望推动利用患者自身细胞培养功能性生殖细胞的发展，为男性不育的精准治疗和再生医学带来新的可能。

宾夕法尼亚大学副教授Kotaro Sasaki及资深研究员Eoin C. Whelan为本文共同通讯作者。Eoin C. Whelan（dry lab）及博士后郭明岳（wet lab）等人为本文共同第一作者。本研究还得到了 浙江大学附属第四医院、浙江大学“一带一路”国际医学院 程柯仁研究员的支持与帮助。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00229-8

制版人： 十一

参考文献

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