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论坛精文|卵胞浆内单精子注射在胚胎发育中改变了什么？精子的贡献
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本次分享一篇精文，文章通过对IVF和ICSI受精过程的比较，论证ICSI对胚胎发育的影响，并从精子参数、DNA含量(精子DNA片段化、微缺失和染色体异常的水平)、RNA含量、表观遗传学和精子来源、精子保存方式等方面，说明在不同的条件下精子对受精和囊胚率以及胚胎动力学有影响。
『卵胞浆内单精子注射在胚胎发育中改变了什么？精子的贡献』
摘要
卵胞浆内单精子注射(ICSI)技术是为了解决由于精子参数改变导致的严重男性不育而发明的。目前在世界范围内广泛应用于夫妻不孕症的治疗。无论精子的活力、形态或数量如何，ICSI都是用手术中获得的精子或射精样本进行的。本文从技术角度探讨微注射精子对男性不育症患者胚胎发育和动力学的影响。从已发表的数据可以看出，ICSI预测了受精卵动力学。此外，由于ICSI的受精率比传统的体外受精(IVF)更高，因此ICSI可以获得更多的囊胚用于临床。精子和精子的特征，如精子参数、形态和活力、DNA含量(精子DNA片段化、微缺失和染色体异常的水平)、RNA含量、表观遗传学和精子恢复部位(睾丸、附睾和射精)，在不同的条件下对受精和囊胚率以及胚胎动力学有影响。尽管ICSI是解决不孕不育最常见的方法，但男性不育的原因对于建立一个有能力的精子至关重要，这将有助于正常的胚胎发育和健康的后代。
01介绍
体外受精(IVF)主要是为了解决妇科不孕症而发展起来的，胞浆内精子注射(ICSI)的主要适应症是男性，因为精液参数改变和完全受精失败(TFF)。自1992年首次临床应用以来，自1992年首次临床应用以来，传统体外受精中ICSI的比例没有停止增长，自2013年以来稳定在新鲜体外周期的70 %。ICSI是使用冷冻解冻卵母细胞和手术取出的精子以及着床前基因检测(PGT)的体外受精方法的选择。ICSI可以用冻融精子和未成熟精子进行。存在几种变体，例如胞浆内形态选择精子(IMSI)，其中精子在6600倍(传统ICSI为400倍)观察到，因此根据细胞器形态选择精子，生理胞浆内精子注射(PICSI)，以及据报道脆弱卵母细胞有效的授精方法的PIEZO-ICSI。
在传统的体外受精中，受精过程是“自然”发生的，不需要人工干预。受精精子通过透明带(ZP)与卵母细胞受精，这是自然受孕的情况。CSI则相反，一个生物学家选择的精子完全微注射到卵质中，绕过ZP结合/选择和配子融合过程。
根据定义，ICSI“协助”体外受精，并允许在技术上和/或生物学上不可能的夫妇中形成胚胎(和后代),例如由于先天性双侧输精管缺失(CBAVD)导致的无精子症患者；在球形精子症患者中；或者当使用受精能力降低的配子如冻融卵母细胞时。通过强制受精过程，ICSI忽略了阻止胚胎形成的临床/生物学原因。在技术和生物学方面，出现了两个问题:与IVF相比，ICSI技术对胚胎发育有什么影响吗？ICSI中显微注射的精子是如何修改胚胎发育的？
02IVF和ICSI受精过程的比较
即使在体外进行，常规的体外受精也是模拟自然受精过程的。卵母细胞-卵丘-放射冠复合体被活动的精子包围，这些精子经历顶体反应，释放透明质酸酶，穿透卵丘-放射冠复合体并到达ZP。然后，精子头部与ZP3糖蛋白结合，精子继续通过ZP到达卵黄周隙。此后，一个精子与中期II卵母细胞膜接触。精子头部的赤道区域接触卵母细胞周围的微绒毛，两个配子融合在一起，在两个质膜之间建立了连续性。紧接着，作为配子融合的结果，卵母细胞的膜下小泡中的钙离子被释放，并通过细胞质膜的去极化阻止其他精子的穿透。除了防止多精受精之外，Ca2+的释放还通过增加细胞间pH值和增加氧化代谢来刺激卵母细胞的呼吸和代谢。配子融合后，紧密排列的精子核染色质开始散开。与精子DNA复合的鱼精蛋白被组蛋白取代。染色质在现在称为前核的细胞核内扩散，并靠近卵母细胞的核物质。男性DNA被去甲基化，而女性基因组中保持甲基化。同时，中期II卵母细胞随着后期II和末期II的快速演替完成第二次减数分裂。第二极体在卵黄周隙释放。两个原核都变得可见。DNA复制发生在发育中的原核中；当原核相互靠近时，一条染色体形成两条染色单体。然后，前核膜分解，染色体混合。现在到达了单细胞阶段胚胎。母亲和父亲的染色体迅速围绕着来源于复制精子中心体的有丝分裂纺锤体组织起来。
在ICSI中，受精的精子既不穿透卵丘-电晕放射复合体，也不穿透ZP与中期II卵母细胞融合，因为固定后将其直接微注入卵母细胞。制动是一种必要的显微操作，以使精子膜具有渗透性，并释放“精子胞质因子”,这是卵母细胞激活所必需的。精子显微注射后，可观察到卵母细胞膜因钙皮质囊泡钙释放而去极化。两个原核在受精卵阶段出现和消失，体外受精的卵母细胞和ICSI受精的卵母细胞的体外胚胎发育相似。
03ICSI会改变胚胎发育吗？
与传统体外受精的比较
在辅助生殖技术(ART)中，应用不同的关键临床和生物学性能指标(KPI)来评估某一程序在特定环境或特定患者群体中的有效性。由于ICSI协助受精，ICSI与IVF的优势是将基准受精率提高5% (ICSI为80%，IVF为75%)。在精子条件适合IVF和ICSI的分割授精治疗中，ICSI在受精效率上的优势得到了突出。根据我们的数据，与IVF相比，ICSI中的KPI “产生一种临床上可用的卵细胞所需的卵母细胞数量” 较差。换句话说，与IVF (2.9个中期II卵母细胞)相比，ICSI (2.3个中期II卵母细胞对1个胚泡)中的卵母细胞数量较少，无论卵巢刺激方案、不孕指征或女性年龄如何，这一结果都是有效的。
如今，体外受精后的整个胚胎发育完全可以通过结合延时监测的恒温箱来观察。形态动力学参数用于鉴定从精子穿透后第二次极体排出到寻找子宫接触的完全孵化的胚泡的每个细胞事件的时间和细胞周期的持续时间。在Bodri等人的研究中，与IVF胚胎相比，在ICSI胚胎中测量到的原核消退(1.5小时)至4-细胞期(1.1小时)的预测具有统计学意义。在原核消退时观察到的这种预期时间随着胚胎发育的继续而减少，并从5-细胞期到胚泡期消失。与IVF胚胎相比，ICSI胚胎中原核褪色以及2-细胞和3-细胞期具有统计学意义的预期，已被其他使用同胞卵母细胞的小组证实29]和来自不同组群的卵母细胞。必须记住，虽然在ICSI中精子穿透的确切时间是已知的，但在IVF中受精过程更长，并且不能精确确定。在体外受精中，精子穿透卵丘细胞和ZP，以及配子融合，可以估计到1小时的持续时间。在所有研究中，根据受精方法，细胞周期(cc2，cc3)和细胞分裂的同步化(s2，s3)保持不变。因此，可以得出结论，ICSI预测了第一个卵裂期，因为它缩短了两个可观察到的原核持续时间，但没有改变胚胎动力学。如果数学形态动力学模型用于胚胎选择，它们必须在卵裂阶段根据胚胎是来自ICSI还是IVF进行调整。在精子畸形正常的夫妇中，来自IVF或ICSI的同胞胚泡的整倍体率、非整倍体率和嵌合体率相似。
04精子对胚胎发育的影响
文章从精子参数、DNA含量(精子DNA片段化、微缺失和染色体异常的水平)、RNA含量、表观遗传学和精子来源、精子保存方式等方面，说明在不同的条件下精子对受精和囊胚率以及胚胎动力学有影响。
ICSI是治疗严重男性因素导致的夫妇不育的一次革命。自1992年以来，ICSI的功效促使其在全世界所有IVF实验室中使用[4].由于技术协议，ICSI提供了在微量注射后观察配子的途径，以及将细胞质量/形态与ICSI结果联系起来的可能性。由于上一代的孵化器配备了延时技术，看来ICSI的侵入性对胚胎发育没有不利影响。相比之下，它增加了体外处理，导致受精卵数量增加，因此每个周期转移或冷冻的胚泡数量增加。
然而，如果我们根据精子形态、精子DNA构型、精子RNA含量或精子来源更深入地观察体外胚胎发育，我们观察到精子成熟对胚胎发育、妊娠机会和流产风险的直接影响。与胚胎动力学和ICSI结果相关的研究强调了精子通过男性生殖道从睾丸到附睾和射精的成熟过程的重要性。一个受精的精子不仅仅是23条单染色质染色体和一个中心粒，它还包含特定的编码和非编码RNA分子，这些分子在早期胚胎阶段和表观遗传标记后发挥作用，因此任何破坏都可能导致未来胚胎和后代的后果。
从目前的综述中可以看出，受精率受精子形态学(畸胎-特别是球形精子症)、精子活力(绝对弱精子症)、精子DNA微缺失(AZF)、精子RNA含量、精子表观遗传学和精子来源(睾丸、附睾和射精)的影响。受精卵的动力学根据显微注射精子的形态，特别是头部液泡的存在而变化。这一结果可以用可能的高水平SDF来解释。同样，从卵裂到桑椹胚阶段的胚胎动力学和胚泡率受精子头部液泡、高水平SDF和表观遗传因素的影响。受精率和受精卵-胚胎-囊胚动力学的变化精子回收部位(睾丸、附睾和精液)的功能证实了结构状态和精子分子含量在第一次受精卵发育后对胚胎发育的影响程度(见表1).有趣的是，精子冷冻对胚胎发育没有影响。
表1 参考修改胚胎发育的精子/精子特征的文献
当然，我们对精子的成因和对胚胎发育的影响的了解仍然有限，因为我们没有包括DNA断裂的精确状态和微量注射精子的编码/非编码RNA含量。而在自然受精中，女性生殖道严格选择允许通过分子和遗传相容性过程接近卵母细胞受精的精子亚群，在试管婴儿实验室，生物学家接受显微操作训练，根据最佳流动性和形态选择精子进行显微注射。实际上，正在开发不同的策略来选择最佳/完美的e精子。这些策略对精子是非侵入性的，并且想要模仿女性生殖道选择。它们是基于偏振光选择的双折射头精子；关于精子膜特性通过磁性微球消除凋亡细胞-膜联蛋白V柱，精子膜的外部结构以及在培养基中孵育精子的形态-透明质酸板和精子运动性使细胞通过微流体通道。然而，与基于精子洗涤、逆流或密度梯度离心的经典精子制备相比，缺乏关于这些技术的功效的数据以及精子制备的额外成本，削弱了它们在ART实验室中的广泛应用。
直到最近，无法解决的生育问题的原因大多被认为是以女性为中心的，如高龄产妇。然而，现在必须开始考虑精子对亲子关系的贡献。父亲年龄越大，新生突变越多。关于AZF微缺失可能的放大效应，我们仍然知之甚少。外界因素，如饮食、环境和氧化应激，似乎会损害卵母细胞的配子功能，以及精子的功能，从而对后代健康产生不利影响。迄今为止，超过200万婴儿出生时就接受了抗逆转录病毒治疗，主要是卵胞浆内单精子注射。与自然受孕相比，在男性不育的情况下，通过辅助生殖技术，特别是通过ICSI出生的婴儿出现主要染色体缺陷的风险增加了42 %。儿童的印迹障碍与ICSI和父亲的贡献有关。
结论
和卵母细胞一样，精子也有助于健康的胚胎发育。即使ICSI是解决夫妇不育的最常见的方法，我们也不能忘记男性不育的原因和对精子活力的可能后果。为了在显微注射前了解精子的生物化学结构和DNA/RNA含量，未来的无创精子诊断仪器的发展将决定对精子发生的理解，以及男性不育原因和不利环境对形成有能力的精子的影响。几十年来，由于恶劣的环境，精子质量在不同的大洲不断下降，解决男性不育问题的责任和全球承诺是改善男性生育能力和解决夫妇生育问题的唯一途径。