生殖醫療大躍進 – 利用幹細胞建構卵子生長環境

在生殖醫學領域，儘管人工生殖技術日益精進，是否能成功懷孕往往還是仰賴女性本身的卵子數量和品質。隨著體外配子生成技術（in vitro gametogenesis, IVG）的演進，科學家們已在小鼠模型上，利用來自多功能幹細胞（pluripotent stem cell）的原始生殖細胞樣細胞（primordial germ cell-like cell, PGCLC），搭配胚胎卵巢體細胞（embryonic ovarian somatic cell）共同培養，成功建立成熟卵子 [1]。不過研究也發現這些透過 IVG 技術建立的卵子，其分化與成熟依然仰賴周圍濾泡體細胞（somatic follicular cell）給予的訊號刺激和營養成分補給。基於該環境在現實世界的稀缺，日本九州大學林克彥教授的研究團隊利用小鼠多功能幹細胞建立可比擬卵巢體細胞環境的模式系統，期望藉由幹細胞技術為生殖醫療帶來更多可能性 [2]。

受精卵在發育過程中會先從合子（zygote）轉為囊胚（blastocyst），再經一系列程序發育成胚胎（fetus）。胚胎幹細胞（embryonic stem cell, ESC）則是經由將囊胚中的內細胞團（inner cell mass, ICM）進行體外培養而取得（圖一）。研究團隊自基因轉殖鼠取得胚胎幹細胞之後，利用過去研究所得知的培養方法使幹細胞發育成中間中胚層（intermediate mesoderm）細胞，再分化成生殖嵴（genital ridge）前驅細胞，並且利用 Pdgfra、Osr1、Gata4、Nr5a1 等生物標記進行追蹤（圖二），最終成功建立會表現 Nr5a1 的胚胎體細胞樣細胞（fetal ovarian somatic cell-like cell, FOSLC）。

圖一、受精卵發育流程 & 胚胎幹細胞培養
圖片說明：受精卵會經歷從合子（zygote）轉為囊胚（blastocyst），再發育成胚胎（fetus）的發育流程。胚胎幹細胞（embryonic stem cell, ESC）是經由將囊胚中的內細胞團（inner cell mass, ICM）進行體外培養而取得。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/487043a

圖二、胚胎幹細胞發育為性腺細胞過程中的生物標記
圖片說明：胚胎幹細胞發育為中間中胚層（intermediate mesoderm）細胞，再分化成生殖嵴（genital ridge）前驅細胞，最終成為性腺細胞的過程中，依序會表現 Pdgfra、Osr1、Gata4、Nr5a1 等生物標記。
圖片來源：https://doi.org/10.1126/science.abe0237

接著，為了確認 FOSLC 是否能扮演濾泡體細胞的角色，建立適合卵子發育成熟的環境，研究團隊將 FOSLC 與 PGCLC 共同培養，將該環境所產生的卵子命名為 rOvarioids（reconstituted ovarioids），並且利用免疫螢光染色偵測 rOvarioid 在 FOSLC 所提供的環境下的分化過程。研究結果顯示在 rOvarioid 隨時間分化的過程中，FOSLC 也會逐漸發育成為次級濾泡（secondary follicle）結構中的濾泡膜細胞（theca cell）、基質細胞（stromal cell）和顆粒細胞（granulosa cell）。當次級濾泡進一步發育成為排卵前濾泡（pre-ovulatory follicle）時，由 FOSLC 分化形成的顆粒細胞會大量增生並包覆卵母細胞（oocyte），形成卵丘 – 卵母細胞複合體（cumulus oocyte complex, COC），負責維持卵母細胞和外界通訊的跨透明帶突起（transzonal projection, TZP）也會在這個階段生成，協助卵子繼續生長。團隊透過體外成熟技術（in vitro maturation, IVM）使 COC 分化成熟並進行體外受精（in vitro fertilization, IVF）之後，將二細胞期胚胎（two-cell embryo）植入假孕母鼠體內。最終，母鼠成功誕下仔鼠，而這些仔鼠成長至成鼠之後具備繁衍子嗣的能力（圖三）。以上實驗顯示：這些經由多功能幹細胞培育的卵子和卵巢體細胞環境有能力進行成熟分化，產出具生殖能力的後代（圖四）。

圖三、體外成熟技術（IVM）搭配體外受精技術（IVF）所誕下的仔鼠（左） & 仔鼠長為成鼠後繁衍的後代（右）
圖片來源：https://doi.org/10.1126/science.abe0237

圖四、小鼠多功能幹細胞培育的 PGCLC 和 FOSLC 經過成熟分化，產出具生殖能力的小鼠後代。
圖片來源：https://doi.org/10.1126/science.abe0237

這篇研究利用幹細胞所建立的小鼠體外卵子與卵巢濾泡培養系統，有望能在體外環境大量培養有功能性的卵細胞，並進一步推展到人類和瀕危物種上的應用。此項成果不僅有助於後續對於生殖領域分子機轉上的研究，也提供 IVG 技術更廣闊的舞台，為生殖醫療的進展帶來曙光。

參考文獻：

Hikabe, O., Hamazaki, N., Nagamatsu, G., Obata, Y., Hirao, Y., Hamada, N., Shimamoto, S., Imamura, T., Nakashima, K., Saitou, M., & Hayashi, K. (2016). Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature, 539(7628), 299–303. https://doi.org/10.1038/nature20104
Yoshino, T., Suzuki, T., Nagamatsu, G., Yabukami, H., Ikegaya, M., Kishima, M., Kita, H., Imamura, T., Nakashima, K., Nishinakamura, R., Tachibana, M., Inoue, M., Shima, Y., Morohashi, K. I., & Hayashi, K. (2021). Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells. Science (New York, N.Y.), 373(6552), eabe0237. https://doi.org/10.1126/science.abe0237
Surani, A., & Tischler, J. (2012). Stem cells: a sporadic super state. Nature, 487(7405), 43–45.
https://doi.org/10.1038/487043a