“无中生有”造精子？Cell Stem Cell：恒河猴实验或打通最关键一公里，男性不育治疗迎来技术拐点！
来源：生物谷原创 2026-07-20 10:53
研究人员同步利用人诱导多能干细胞（iPSC）与恒河猴诱导多能干细胞开展平行实验，建立了一套异种重建睾丸（xrTestis）移植培养体系，实现灵长类生殖细胞多阶段稳定成熟。
全球 7%~10% 的育龄男性存在生育障碍，超过一半的患者无法明确不育病因，胚胎阶段原始生殖细胞向精原细胞发育异常是临床最难攻克的致病类型，这类生殖细胞发育缺陷一旦形成便不可逆。
长久以来，生殖发育研究始终存在两大核心瓶颈：一是人类完整精子发生过程无法在单纯体外培养体系中精准复刻，二是啮齿类动物模型的生殖细胞分子、形态特征和灵长类存在显著物种差异，研究结论难以直接向临床转化。搭建能够模拟生理微环境、支撑干细胞完成减数分裂前全阶段发育的体外模型，是近十年生殖医学与干细胞领域亟待突破的核心命题。
近期发表于Cell Stem Cell的重磅研究Generation of spermatogonia from human and non-human primate pluripotent stem cells给出了一套全新解决方案。研究人员同步利用人诱导多能干细胞（iPSC）与恒河猴诱导多能干细胞开展平行实验，建立了一套异种重建睾丸（xrTestis）移植培养体系，实现灵长类生殖细胞多阶段稳定成熟。
整套实验流程逻辑清晰：首先将人源iPSC诱导分化为原始生殖细胞样细胞（PGCLCs），再把 PGCLCs 和小鼠胎儿睾丸体细胞混合共培养，两类细胞会自发组装形成具备生精小管样结构的三维微型器官 xrTestis。后续将完整 xrTestis 移植至免疫缺陷小鼠肾包膜下进行体内长期培养，移植物可稳定存活最长 8 个月，能够支撑人类生殖细胞完整走完原始生殖细胞、增殖型前精原细胞、过渡型前精原细胞、未分化精原细胞（Spg，包含 S0、S1 两个干细胞亚群）、分化型精原细胞，直至罕见的细线期初级精母细胞（Prelep.spc），部分细胞还成功激活前粗线期 PIWI 互作 RNA（piRNA）完整合成通路，这是灵长类雄性生殖细胞成熟的标志性分子特征。
针对恒河猴这一临床转化关键非人灵长类模型，研究团队优化了 PGCLCs 体外扩增步骤，规避移植后畸胎瘤生成风险，首次依靠iPSC体外获得恒河猴未分化精原细胞与分化型精原细胞，填补了非人灵长类体外生殖细胞发育模型的空白。
这套体系的核心创新点在于 “异种体细胞微环境支撑” 的仿生策略，彻底解决了灵长类生殖细胞单独体外培养极易凋亡、分化紊乱的痛点。单纯培养基无法复刻睾丸内部复杂的三维空间结构与持续旁分泌信号，而小鼠胎儿睾丸体细胞会自主分泌细胞外基质、搭建具备极性的管状生精结构，持续提供生殖细胞存活、分化必需的物理支撑与信号分子，让植入的人/猴源生殖细胞严格遵循体内天然发育时序逐步成熟。
研究团队借助单细胞转录组测序对 xrTestis 内全部生殖细胞进行图谱解析，将体外各阶段细胞与人体内胎儿、青春期前睾丸原生生殖细胞的转录组数据整合比对，结果显示体外生成的精原细胞与体内原生精原细胞基因表达相似度高达R²=0.97，细胞分群、分化时序、通路激活模式高度重合。同时体外精原细胞同样区分出 S0、S1 两大干细胞亚群，S1 阶段细胞启动线粒体氧化磷酸化代谢转换，和体内发育规律完全一致，充分证明该模型高度还原灵长类雄性生殖发育真实分子特征。
科学家通过工程化改造诱导多能干细胞，使其转化为不成熟的精子细胞
依托 xrTestis 成熟平台，研究团队明确了两种调控生殖细胞身份的核心 RNA 结合蛋白——NANOS3与DND1。
研究构建了双基因纯合敲除的人iPSC模型，实验证实任意一个基因缺失，PGCLCs 在培养过程中都会逐步丢失生殖细胞特征，大量上调神经元体细胞相关基因，最终完全脱离生殖系分化轨道；而过表达对应基因能够完全挽救该缺陷表型。
这一发现解释了过往多数体外诱导方案效率低迷的根源：常规培养体系无法持续维持 NANOS3/DND1 介导的生殖细胞身份保护信号，细胞极易发生命运偏移。同时团队通过药物干预实验验证视黄酸（RA）信号通路的核心功能，使用 RA 通路抑制剂 WIN18,446 处理移植小鼠后，xrTestis 内精原细胞分化进程显著阻滞，减数分裂启动相关基因STRA8、SYCP2、REC8表达大幅下调，精原干细胞维持相关基因UTF1、FGFR3表达显著上升，直接证实视黄酸是驱动精原细胞分化、启动减数分裂程序的关键信号分子，和人体生理调控机制完全匹配。
该模型完整重现了前粗线期 piRNA 全套生物发生过程，是区别于过往所有体外培养体系的关键优势。piRNA 是雄性生殖细胞维持基因组稳定、沉默转座子的核心分子，一直受限于人体组织样本稀缺难以开展机制研究。
本研究中小 RNA 测序结果显示，xrTestis 内分化型生殖细胞特异性产生 24–34 nt 长度的 piRNA，序列具备前粗线期 piRNA 标志性的 5’端尿嘧啶偏好（1U）、第 10 位腺嘌呤偏好（10A）特征，大量转录自经典人源前粗线 piRNA 基因簇，主要靶向年轻 LINE1、ERV1 转座子元件，完成乒乓式扩增，分子特征和 5 岁青春期前人类睾丸原生 piRNA 几乎无差异，为解析人类生殖细胞基因组保护机制提供了首个可操作体外工具。
客观而言，该体系仍存在明确局限性，目前仅能将生殖细胞推进至细线期初级精母细胞，无法完成完整减数分裂，不能生成圆形精子细胞、成熟精子。即便延长移植培养至 8 个月，分化阻滞现象依旧存在，推测是小鼠体细胞无法分泌促减数分裂后期推进的关键激素、旁分泌因子，同时小鼠肾包膜异位培养环境、啮齿类体温条件也会限制减数分裂完整进行，未来替换人/恒河猴睾丸体细胞重构微环境或许能突破这一瓶颈。
另外实验仅使用少量iPSC细胞系开展验证，不同细胞系的分化效率存在固有差异，后续需要更多细胞株重复实验提升结论普适性；人体围产期生殖细胞表观遗传基线数据尚不完整，该模型 DNA 甲基化重编程动态和体内细胞的匹配度仍需进一步细化验证。
但不可否认，这项工作的临床与科研价值十分突出。临床上绝大多数生精阻滞型无精症患者的病变节点恰好集中在精原细胞至早期精母细胞阶段，而 xrTestis 体系能够稳定批量获取各阶段、基因型可控的灵长类生殖细胞，既可以用于不育致病突变基因功能验证，也能搭建高通量药物筛选平台，筛选改善生精阻滞的治疗小分子。
同时研究首次在恒河猴中验证跨物种睾丸重建技术可行，恒河猴生殖发育时序、分子调控网络和人类高度同源，是临床转化前最优的验证动物，这套非人灵长类体外生精模型能够规避直接人体实验的伦理风险，为自体同源睾丸微环境搭建、体外配子发生技术落地铺平前置道路。
不同于传统思路依靠人工配比大量细胞因子模拟微环境，本研究采用 “细胞自组装” 的仿生思路，依靠体细胞自主构建三维生精微环境，大幅降低体外生殖发育模型的构建难度，为整个干细胞生殖领域提供了轻量化、高保真的建模范式。虽然距离培育出具备受精能力的成熟人造精子还有漫长研究周期，减数分裂同源重组、精子顶体与尾部形态建成等核心环节仍待攻克，但这项研究成功打通了多能干细胞向精原细胞、早期精母细胞发育的体外通路，突破了困扰领域多年的建模壁垒，为男性不育再生医学治疗点亮了关键的技术明灯。（生物谷Bioon.com）
参考文献：
Eoin C Whelan, Mingyue Guo, Ryo Yokomizo, et al, Generation of spermatogonia from human and non-human primate pluripotent stem cells, Cell Stem Cell (2026). DOI: 10.1016/j.stem.2026.06.001
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