哥伦比亚大学试图使用3D打印技术制造精子帮助没有生育能力的人

哥伦比亚大学泌尿学助理教授Ryan Flannigan博士和他的团队正在尝试使用 3D生物打印机制造人类精子，帮助那些完全没有生产精子能力的人群提供解决方案。

早在2017年美国西北大学一支研究团队就曾利用3D打印技术，研制出了一种人造卵巢，并在小白鼠体内发挥了天然卵巢的功能，帮助其成功排卵和怀孕并生下小鼠。这项科研成果在线发表在《自然》子刊《Nature Communications》上。
 

△哥伦比亚大学的Ryan Flannigan博士和研究助理Meghan Robinson在3D生物打印机前观察如何在实验室生产精子，左1。图片来自哥伦比亚大学

2022年3月20日，英国哥伦比亚大学(University of British Columbia)泌尿学助理教授Ryan Flannigan博士和他的团队正在尝试使用 3D生物打印机制造人类精子。他说，这台 3D生物打印机采用非常先进和特有的工艺技术，整个大学也仅有这几台。

他的目标是为患有不育症的男性提供解决方案
Flannigan说:“我们正在尝试用3D打印技术把这些细胞打印成一个模仿人类的解剖结构。

输精管是将精子往外输送的结构，他的打印机可制作出真人大小的人体输精管模型，直径300-400微米(一米的百万分之一)。在这些小管中，打印机放置一组从患者睾丸中提取的细胞，这些细胞聚集在一起工作时，通常会在人体中产生精子。

到目前为止，Flannigan的团队已经取得了令人鼓舞的成绩。置于这些小管中的干细胞不仅存活了12天，而且开始自我分化生成一些与精子发生有关的特化细胞。（特化细胞又称终端分化细胞，是指具有不可逆的脱离细胞周期，丧失分裂能力，但保持生理机能的细胞。如神经细胞，肌肉细胞等。）
 

△ 3D打印输精管的显微图像。图片来自哥伦比亚大学

他们对3D打印方法充满希望
一旦他们掌握了如何在实验室中发生精子，他的团队就会从患者的睾丸中取出细胞，在实验室中培育它们，然后再次使用3D打印机，将它们放置在类似于人体内部环境的打印小管中，并诱导精子发生。（精子发生过程起始于生精干细胞的分化，终止于成熟的精子形成。不同的生精细胞在曲细精管中按照特殊的细胞联系排列，形成所谓的精子发生过程。）

他们目前的研究进展让干细胞自我维持并不断分化。Flannigan的另一部分研究试图确定细胞之间如何相互交流，它们在精子发生过程中的特定时间来回发送什么样的信号。
 

△Flannigan研究3D生物打印机打印活体组织。视频来自哥伦比亚大学

通过3D打印将不可能变为可能
他说，这项研究很难在活人体内进行开展，目前通过3D打印技术已经变为现实。研究的目标是找到支持这些细胞并帮助发生精子的营养物质或生长因子的原因，人体内的精子发生同时涉及15-20种细胞参与，是一个高度复杂的协作过程。

能够在体外复制该系统使研究人员可以尝试不同的方法，直到他们找到一种精子正确发生的可能。

通过3D打印技术进行研究回报是双重的
在加拿大，大约六分之一的夫妇患有不孕症。大约有一半的情况下，问题出在男性身上，在这一群体中，大约15%的人患有严重的男性不育症，完全不产生精子。

这种情况被称为非阻塞性无精子症（NOA），它被认为是由于睾丸内机制的一些异常。对于大约一半患有NOA的男性，可以通过外科手术提取精子，医生在睾丸内寻找并提取精子用于体外受精 (IVF)。该项研究真正想要帮助的是那些完全没有能力生产精子的人群。
 

△来自患者的睾丸细胞活检图像，该患者的细胞被用于使用3D打印发生精子的研究。图片来自哥伦比亚大学

在第一种情况下，Flannigan可以在培养皿中为病人产生精子，这些精子可以用于体外受精。在另一个实验中，利用打印出来的细胞作为模板，研究人员可以找到一种治疗方法，来治疗阻碍患者精子发生的根本原因，并相应地治疗让他自己产生精子。

这项研究还有另一个好处。使用3D生物打印机对体外复杂的人体系统进行建模，开创了精子以外的医学新奇迹。研究人员可以学习使用相同的技术来研究人体中其他尚未被很好理解的复杂系统——比如神经系统中的突触如何交流等。

未来或许可以为全人类提供一种无法想象的医学治疗方案。

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