Azoospermia

3岁的男孩豆豆（化名）从1岁起就成了“水桶娃”——每天狂喝6升水，尿布两小时就湿透，半夜哭闹要喝水，家人以为他“天生爱喝水”。可随后他接连骨折三次：翻身压到手臂骨折、学走路崴脚骨折，甚至拍后背哄睡都能拍断肋骨！X光片显示他的骨头像“被虫蛀空的朽木”，骨密度比80岁老人还低。 眼科医生用裂隙灯检查时，发现豆豆的角膜上布满“星尘”般的胱氨酸结晶，肾脏B超显示双肾弥漫性钙化，基因检测揪出罪魁祸首——CTNS基因突变，确诊为胱氨酸贮积症！一种因细胞“垃圾处理站”故障，胱氨酸结晶“填满”全身器官的罕见遗传病！ 1 常染色体隐性遗传病 胱氨酸贮积症是一种常染色体隐性遗传病，是由编码溶酶体膜上的胱氨酸转运蛋白(site-directed mutagenesis)的CTNS基因突变引起，当该基因发生突变时，溶酶体中的胱氨酸便无法被正常转运到细胞质，从而在全身各处的细胞溶酶体内异常蓄积导致发病。 2 临床表现及分型 胱氨酸贮积症分为婴儿型（肾病型）、迟发型（青少年型）和成人型（良性或眼型）。婴儿型为最常见且最严重，表现为蛋白尿、肾功能恶化和终末期肾病。肾脏病理表现包括足细胞脱落、胱氨酸结晶等。 肾外器官也受累，眼部可见角膜结晶，导致视力丧失。营养不良和矿物质代谢紊乱可能导致骨病、肌肉萎缩和生长不良，身材矮小是慢性肾病患者的11倍。 内分泌问题包括甲状腺功能减退、无精子症（男性）和青春期延迟（女性）。未经治疗者，20岁后可能出现神经系统症状，如行走和吞咽困难、智力减退等。 3 诊断 胱氨酸贮积症的早期诊断对改善预后至关重要，未经治疗会导致全身脏器受累，预后极差。外周血白细胞中胱氨酸水平升高是确诊的金标准。裂隙灯检查可用于1岁以上儿童的角膜结晶诊断，而反射共焦显微技术（RCM）为年幼患者提供了快速、无痛的检测手段。 近年来，新的筛查和诊断方法不断涌现。智能手机结合镜面反射可用于初步筛查角膜胱氨酸晶体，适用于基层诊所。皮内反射共聚焦显微镜和谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）可以定量检测皮肤内胱氨酸结晶，并评估视网膜病变。角膜晶体评分可通过光密度测量直观了解角膜受累程度。 对于高危妊娠，CTNS基因的分子分析可用于产前筛查，出生后通过DNA检测（如全外显子组测序或下一代测序）进行新生儿筛查，是最有效的二级预防措施。 4 治疗 胱氨酸贮积症的治疗包括以下几个方面： 一般治疗：包括高热量饮食、维持水电解质平衡等基础治疗。内分泌系统受累可使用激素替代治疗。终末期肾病患者可选择肾透析或肾移植。年轻男性可通过冷冻精子或睾丸精子提取手术保持生育机会。 胱氨酸消耗疗法：半胱胺是唯一靶向治疗药物，常用速释酒石酸半胱胺，但因不良反应和给药频繁影响患者依从性，缓释剂型改善了这一问题，但可能导致纤维化结肠病。角膜结晶患者可使用半胱胺滴眼液，如Cystadrops或缓释半胱胺微球滴眼剂。血浆半胱胺或胱氨酸含量的监测可减少中毒风险。 其他疗法：由于半胱胺对已出现的范可尼综合征、无精症和角膜结晶无效，研究提供了新的治疗方向。金雀异黄素和木犀草素可降低胱氨酸浓度并改善自噬。比卡鲁胺与半胱胺联合使用可纠正近端肾小管损伤。依维莫司等mTOC1通路抑制剂、IL-1受体拮抗剂等也在探索中。基因编辑技术和自体干/祖细胞移植在小鼠模型中已验证有效，可能为患者提供长效治疗。 饮食疗法：通过补充赖氨酸或精氨酸，抑制肾脏巨蛋白途径，已在小鼠模型中证实有效，提供了新的饮食治疗选择。 这些治疗方法的安全性和有效性正在不断验证，并为胱氨酸贮积症患者提供了多种潜在治疗途径。 参考资料： [1]寇文韬,李燕.胱氨酸贮积症发病机制及诊疗新进展[J].疑难病杂志,2025,24(03):376-380. [2]李晓侨,巩纯秀.胱氨酸贮积症诊疗进展[J].临床儿科杂志,2020,38(02):156-160. [3] Kerem E.Elx-02:an investigational read-through agent for the treatment of nonsense mutation-related genetic disease[J].ExpertOpiniononInvestigational Drugs,2020,29(12):1347-1354.D0l:10.1080/13543784.2020.1828862. 来源 | 梅斯医学 编辑 | wanny 神经系统罕见病交流群 ↓点击下方“阅读原文”，下载梅斯医学APP吧！

近日，云南省人类精子库倡议大学生捐精，随即相关话题登上微博热搜，同一天，陕西省人类精子库也向刚开学的驻地大学生发出捐精倡议。据云南省人类精子库负责人称，接待的志愿者中精子合格率仅为19%，竟不足20% 近日，云南省人类精子库倡议大学生捐精，随即相关话题登上微博热搜，同一天，陕西省人类精子库也向刚开学的驻地大学生发出捐精倡议。据云南省人类精子库负责人称，接待的志愿者中精子合格率仅为19%，竟不足20%，人类精子质量下降一直是地区性乃至全球性的社会问题，尤其近年来，男性精子质量更是出现明显的下降趋势。既往研究表明，在过去45年间，全球男性平均精子数量下降62%，平均精子浓度下降52%，证实全球男性生育力出现“断崖式”下跌。基于此，人类精子库捐献者合格率也在不断下降，多地人类精子库供精者精子合格率不足两成。 其实诸如饮食、环境等多种因素都会影响男性的精子质量以及生育力，近年来科学家们在这方面也进行了大量研究并取得了很多可喜成果，本文中，小编就对相关研究成果进行整理，分享给大家！ 【1】The Lancet：全球生育率持续下降，2100年中国或仅有7亿人口，非洲逐渐崛起，人类或将迎来新世界 doi：10.1016/S0140-6736(20)30677-2 古往今来，人口问题一直关乎着人类社会的稳定，人口膨胀或人口不足最终都会导致社会的动荡甚至崩溃。然而，工业革命以来，人类科技快速进步，生产力得到前所未有的提升，世界人口也因此飞速增长；世界人口的爆炸式增长，使得许多人不禁担忧着人类数量最终会超过地球负载，引发生态崩溃。然而，事实真的如此吗？世界人口是否会在不远的将来超过地球负载，最终导致人类的灭顶之灾？ 2020年在6月份，我们报道了一项中国1990年至2015年青少年婚育趋势的研究，这项研究使我们认识到——从1990年开始，中国的总生育率就已经低于生育更替水平（每名女性平均生育2.1次），即便是2016年施行全面开放二胎政策，这一情况也仅仅得到的一定的好转，但仍然无法彻底解决中国的低生育率问题。 近日，一篇发表在国际杂志Lancet上题为“Fertility， mortality， migration， and population scenarios for 195 countries and territories from 2017 to 2100： a forecasting analysis for the Global Burden of Disease Study”的研究报告中，来自华盛顿大学等机构的科学家们通过研究表明，随着生育率的持续普遍下降，预测世界人口可能会在2064年达到约97亿人的峰值，然后在2100年下降到约88亿人。与此同时，世界劳动人口比例、各国经济发展以及自由移民都将发生翻天覆地的变化。 图片来源：doi：10.1016/S0140-6736(20)30677-2 研究者表示，亚洲、中欧和东欧将成为人口缩减速度最快的地区，中国、日本、韩国、意大利等23个国家和地区的人口数量将减少为原来的一半。根据该预测，非洲和阿拉伯将塑造人类的未来，而欧洲和亚洲的影响力将逐渐减弱，到本世纪末，我们或将迎来一个新的世界。 【2】Nat Commun：新生突变或会影响男性的生育力 doi：10.1038/s41467-021-27132-8 众所周知，新生突变在适应度降低的散发性障碍发生过程中扮演着重要角色，近日，一篇发表在国际杂志Nature Communications上题为“A de novo paradigm for male infertility”的研究报告中，来自纽卡斯尔大学等机构的科学家们通过研究识别出了一种引发严重形式男性不育症的新型遗传机制。这或是理解男性不育症根本原因上取得的一项重要突破，或为后期开发新型靶向性疗法提供新的思路和希望。 研究者表示，并非遗传自父亲或母亲机体的新生突变或许在男性不育症上扮演着关键角色。研究者发现，在生育过程中，当父母双方机体的DNA被复制时就会发生突变，从而导致男性后期出现不育症；研究人员希望这项最新研究未来或能揭示夫妻间不孕不育的原因并帮助开发出最佳的治疗性手段。 研究者Joris Veltman教授说道，这是我们理解男性不育症发生原因的一项真正的模式转变；大多数遗传性研究都着眼于引起不育症的隐性遗传原因，即父母双方或许携带有特殊的基因突变，而当后代男性遗传了这些突变拷贝就会出现不育症，从而导致其后期生育能力出现问题。然而本文研究发现，在生育过程中父母机体DNA复制时所发生的突变或许在其后代男性的生育力上发挥着重要作用。 然而，目前研究人员并不理解大部分男性不育症背后的原因，本文研究或许就能提供相关的线索。文章中，研究人员收集并研究了来自185名不育男性和其父母机体的DNA样本，结果识别出了145种罕见的改变蛋白质的突变，这些突变很有可能会对男性的生育力产生负面影响。这些突变中有高达29个突变会影响直接参与精子生成（精子细胞发生的过程）的基因的功能，或者其它与生育相关的细胞过程；更重要的是，研究人员在多个不育男性机体中识别出了RBM5基因的突变，此前对小鼠进行的相关研究结果表明，该基因在男性不育症上扮演着关键角色。 【3】AJHG：揭示与男性不育症相关的X染色体奥秘 doi：10.1016/j.ajhg.2022.06.007 尽管X染色体的进化史代表了其在男性适应性方面的特殊性，但其在精子发生过程中所扮演的关键角色在很大程度上科学家们并不清楚，目前仅有3个X染色体基因被认为具有中等程度的诊断价值。近日，一篇发表在国际杂志The American Journal of Human Genetics上题为“Large-scale analyses of the X chromosome in 2，354 infertile men discover recurrently affected genes associated with spermatogenic failure”的研究报告中，来自巴塞罗那自治大学等机构的科学家们通过研究发现了可能会导致男性不育的多个X染色体基因。文章中，研究人员描述了其如何对不育症男性机体的基因进行遗传测序，并将其与未患不育症的男性进行序列比较从而找出差异。 正如研究人员指出的那样，尽管此前研究结果表明，X染色体在男性适应性上扮演着重要角色，但其在精子发生过程中的角色却鲜为人知，也仅有3个X染色体基因被认为具有一定的诊断价值。这项最新研究中，研究人员对遭受两类男性不育症的患者机体的X染色体进行了仔细分析，即隐匿精子症（cryptozoospermia）和无精子症（azoospermia），前者涉及男性精子活力问题，而后者则涉及几乎没有精子的患者。 综上，本文研究结果大大减少了隐匿精子症和无精子症患者机体X染色体相关遗传病因的研究空白，有望帮助未来开发新型男性不育症的诊断策略和治疗手段。 【4】 Curr Biol：科学家揭示高温导致男性不育的原因 短暂受热诱发精子DNA损伤 doi：10.1016/j.cub.2020.09.050 众所周知，人类的正常体温大约是37℃，而产生精子的最佳温度则低于人体正常体温，在32℃-35℃之间，研究表明，暴露在这一温度范围以上仅仅1℃，就会对男性的生育能力产生不利影响。热激诱导男性不育的现象已经得到了广泛研究和认可，例如，热水泡浴、穿着过于紧身的裤子，以及长时间驾驶，都会导致局部过热，从而影响男性生育功能。然而，其背后的具体机制尚不完全清楚。 近日，一篇发表在国际杂志Current Biology上题为“Elevated Temperatures Cause Transposon-Associated DNA Damage in C. elegans Spermatocytes”的研究报告中，来自美国俄勒冈大学等机构的科学家们通过研究发现，精子对高温的耐受性较差，短时间的热激处理，就会导致原本被抑制的转座子重新活跃，从而导致过度的DNA损伤和基因组改变，最终损害生育能力。 精子发育过程中对温度升高非常敏感，而卵子的发育则不受影响，精子是人体内最小的细胞，产生精子的睾丸位于人体外部，在低于人体体温下产生，并贯穿整个成年人的寿命。而卵子则是人体内最大的细胞，是在人体内部形成，因此能维持恒定温度，并且仅在有限的时间内产生。 【5】Cell Rep：识别出对男性精子产生非常关键的基因 有望帮助开发治疗男性不育的新型靶向性疗法 doi：10.1016/j.celrep.2021.109885 塞尔托利细胞（Sertoli cells）是高度计划的睾丸支持细胞，在精子发生过程中其能同时培育出多个阶段的生殖细胞，塞尔托利细胞中极性蛋白复合体的正确定位（包括负责血睾屏障形成的蛋白）对于精子发生至关重要；然而，目前科学家们并不是非常清楚塞尔托利细胞极化的机制和发育时间。近日，一篇发表在国际杂志Cell Reports上题为“Cdc42 activity in Sertoli cells is essential for maintenance of spermatogenesis”的研究报告中，来自辛辛那提儿童医院医学中心等机构的科学家们通过研究揭示了当特定的基因无法在正确的时间里发挥左右时，精子细胞的产生是如何出错的。 塞尔托利细胞Cdc42的特异性剔除或会导致成年睾丸中生殖细胞的完全丧失。 图片来源：Anna Heinrich, et al. Cell Reports, 2021; 37 (4): 109885 DOI:10.1016/j.celrep.2021.109885 研究者Falco博士说道，深入理解Cdc42如何在男性生殖细胞中发挥作用或能提供关键的信息来利用该基因作为一种不育症或睾丸功能下降的潜在生物标志物；文章中，研究人员重点对塞尔托利细胞进行了研究，其排列于睾丸中称之为曲细精管的狭长管道内壁中，而精子就在其中产生；塞尔托利细胞有时候被称为护理细胞，其能充当对接站的角色，来为发育中的精子细胞提供营养物质。 在小鼠模型实验中，研究人员发现，当Cdc42基因缺失或不发挥功能时，其就会破坏塞尔托利细胞的极性，这就意味着，一些细胞可能会在曲细精管内附着或方向表现不正确；错位的细胞支持精子的能力就会减弱，而一些错位的塞尔托利细胞则会死亡，所有这些都会降低睾丸产生持续供应精子的能力。此外研究者们还了解到，这种精子产生过程的干扰会发生在成年人的睾丸中，但不会发生在青少年的睾丸组织中。 【6】Nat Commun：科学家发现参与男性不育症发生过程的关键基因 doi：10.1038/s41467-021-23378-4 在精子发生过程中，减数分裂伴随着基因表达和染色质状态的强烈改变，然而，研究人员仍然并不清楚减数分裂的转录程序是如何建立以确保细胞完成减数分裂整个周期的；近日，一篇发表在国际杂志Nature Communications上题为“Meiosis-specific ZFP541 repressor complex promotes developmental progression of meiotic prophase towards completion during mouse spermatogenesis”的研究报告中，来自日本熊本大学等机构的科学家们通过研究发现了一种能控制精子发生过程中减数分裂完成的特殊基因，截至目前为止，在精子发生过程中失活参与减数分裂程序的基因表达的机制尚未被研究人员阐明，研究者认为，本文研究结果或有望推进未来生殖医学的进步，比如识别出无精症或精子生成缺陷导致男性不育症的原因等。 减数分裂是发生在卵巢和睾丸中的特殊类型的细胞分类过程，其能通过将染色体的数量减少到原来的一半而产生卵子和精子；当减数分裂完成后，DNA会继续高度凝集并经历重大的形态改变，而这是精子生成过程的主要特征；这一过程会让很多此前在精子发生过程中进行减数分裂时活跃的很多基因的表达失活，然而，在合适的时间完成减数分裂程序背后的机制，研究者并不清楚，尽管这是一个与诸如男性不育症等生殖医学相关的重要问题，但多年来对于科学家们而言一直是一个谜题。 这篇研究报告中，研究人员通过研究发现了一种名为MEIOSIN的新型基因，其能开启件减数分裂程序，并促进参与精子和卵子形成过程中数百个基因同时激活，在这些基因中，很多基因所发挥的功能仍然并不清楚，当确定了这些功能后，研究人员选择ZFP541基因来进行详细分析研究。当使用基因编辑工具来消除小鼠体内ZFP541基因的功能后，雄性生殖细胞就开始发生减数分裂，但其在此过程中会发生死亡，从而使得男性不育，因为并没有精子产生；详细分析这些小鼠的睾丸后，研究者揭示，ZFP541基因或在调节减数分裂过程中扮演着重要的角色，而且其还是参与精子产生过程的重要基因。 【7】Nature：成功追踪哺乳动物精子发生的快速进化 doi：10.1038/s41586-022-05547-7 雄性哺乳动物为保证生育自己的后代所承受的进化压力导致了睾丸的快速进化。近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“The molecular evolution of spermatogenesis across mammals”的研究报告中，来自德国海德堡大学分子生物学中心等研究机构的科学家们通过生物信息学研究发现，这种进化压力尤其加速了精子形成后期的进化。这项研究的目的是首次解码多种哺乳动物和人类精子形成的遗传调节，从而追踪这种精子生成的进化。与此同时，这些作者还能够检测出在进化过程中活性保持不变的基因。 10种哺乳动物和1种鸟类的snRNA分析 图片来源：Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05547-7。 睾丸中的精子生成受不同基因活性的精细协调、复杂的相互作用控制。到目前为止，人们对这些基因程序的理解主要局限于小鼠。论文共同通讯作者、海德堡大学分子生物学中心的Henrik Kaessmann教授“哺乳动物基因组进化”小组博士研究员Noe Mbengue解释说，“因此，人们对构成不同哺乳动物精子发生的巨大差异的遗传基础知之甚少，无论是在形成的精子细胞数量方面还是在其特性方面。” 这些作者如今成功地确定了10种不同的哺乳动物在整个精子发生过程中单个细胞水平上的所有基因的表达。他们研究的有机体代表了所有主要的哺乳动物群体，包括人类以及其亲缘关系最接近的物种---类人猿。为了做到这一点，他们使用了最先进的单细胞基因组学技术。基于这些数据，他们随后能够借助不同哺乳动物之间的生物信息学比较来追踪精子发生的进化。据Kaessmann教授的说法，这一比较研究发现了一种与时间有关的模式。 【8】Environment Int：科学家发现塑料中的特殊化学物质或可改变精子 危害延续后代两代人 doi: 10.1016/j.envint.2023.107769 截至目前，大多数研究都集中在母体在EDC暴露下对后代健康的影响，但近日，一篇发表在国际杂志Environment International上题为“Paternal phthalate exposure-elicited offspring metabolic disorders are associated with altered sperm small RNAs in mice”的研究报告中，来自加州大学等机构的科学家们通过研究发现，接触塑料中化学物质的父亲会影响其后代两代人的新陈代谢健康。 文章中，研究者发现，父亲暴露于邻苯二甲酸酯的不利影响，代际效应是由于直接暴露于压力源而发生的变化，例如暴露于DCHP的父亲（F0代）和他正在发育的精子（F1代）。跨代效应是传递给未直接暴露于压力源的后代的变化（例如，F2代）。邻苯二甲酸酯是用于使塑料更耐用的化学品，邻苯二甲酸二环己酯（Dicyclohexyl Phthalate，DCHP）对小鼠F1和F2后代代谢健康有极大影响。父亲接触DCHP4周会导致F1后代的胰岛素抵抗升高和胰岛素信号传导受损。在F2后代中观察到相同但较弱的效果。 研究者Changcheng Zhou等人专注于精子研究，特别是负责将信息代代相传的小分子RNA。研究人员使用了“PANDORA-seq方法”，这是一种创新方法，表明接触DCHP会导致精子中的小分子RNA发生变化。PANDORA-seq可广泛用于分析各种生理和疾病条件下的小分子RNA，以促进发现与这些条件有关的关键调控小分子RNA。传统的RNA测序方法无法检测到这些变化，这些方法缺乏对PANDORA-seq提供的小分子RNA概况的全面概述。 【9】Science：中国科学家揭示蛋白FXR1的液-液相分离通过激活生殖颗粒中储存的mRNA翻译来驱动精子形成 doi：10.1126/science.abj6647 在哺乳动物中，精子发生（减数分裂后的雄性生殖细胞分化）是一个高度协调的发育过程，由一组统称为精子发生基因的基因控制。鉴于精子发生过程中的核凝聚会逐渐停止转录，精子发生基因在雄性生殖发育的早期阶段提前转录，并作为翻译惰性的信使核糖核酸蛋白（messenger ribonucleoprotein， mRNP）储存在发育中的精子中，直到它们需要翻译时为止。这些翻译惰性的mRNP通常被组装到称为生殖颗粒（germ granule）的mRNP颗粒中，而生殖颗粒是各种类型生殖细胞中非翻译性mRNA的储存设施。然而，人们对那些储存在翻译惰性的mRNP颗粒中的mRNA在精子发生后期如何被激活知之甚少。 为了了解翻译惰性的mRNA在精子发生过程中是如何被激活的，来自中国科学院大学等机构的科学家们在一项新的研究中通过对小鼠睾丸的多核糖体（polysome）进行蛋白质组学分析，筛选出潜在的翻译调节因子。作为FXR（fragile X–related）蛋白家族的成员，FXR1作为晚期精子的翻译调节因子在这种筛选中脱颖而出。相关研究结果“LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs”发表在了Science杂志上。 含有FXR1的生殖颗粒介导晚期精子中的靶mRNA翻译激活 图片来源：Science, 2022, doi:10.1126/science.abj6647。 通过进行eCLIP和多核糖体分析，并结合构建一种生殖系特异性Fxr1基因敲除（Fxr1cko）小鼠模型，他们研究了FXR1是否是晚期精子中的翻译激活所必需的。为了破译FXR1介导的翻译调节机制，他们使用免疫沉淀法和质谱法确定了小鼠睾丸中FXR1的潜在辅助因子。他们通过在晚期精子细胞中招募翻译因子的液-液相分离（liquid-liquid phase separation， LLPS）观察到FXR1颗粒的形成，并使用TRICK（translating RNA imaging by coat protein knock-off）报告系统确定FXR1 LLPS是否是体外培养的细胞中的靶mRNA翻译所必需的。 【10】JAMA Netw Open：中国科学家新发现！空气污染或会减少男性机体的精子活力！ doi：10.1001/jamanetworkopen.2021.48684 目前研究人员并不清楚接触颗粒物（PM）对男性生育力的健康效应，尽管此前研究人员发现PM的暴露与男性精子质量存在一定关联，但其所得到的结果并不一致。近日，一篇发表在国际杂志JAMA Network Open上题为“Association of Exposure to Particulate Matter Air Pollution With Semen Quality Among Men in China”的研究报告中，来自中国上海市第一妇婴保健院等机构的科学家们通过研究发现，生活在严重污染地区的男性或许会经历精子活动性较差的情况，文章中，研究人员对来自中国数千名男性的医疗记录进行了相关分析。 此前研究结果表明，自20世纪70年代以来，生活在北美、澳大利亚和欧洲的男性的精子质量一直在下降，然而科学家们并不清楚为何会出现这种现象，但他们推测，出现这种情况似乎与空气污染有关；近些年来，科学家们进行的多项研究都尝试理解精子健康和涉及颗粒物的空气污染之间的关联，但不幸的是，此类研究所得到的结果好坏参半；这项最新研究中，研究人员想试图通过研究来自中国130个城市生育诊所的33876名男性的健康记录来寻找其中的关联。 这项研究中，研究人员根据男性居住地的空气污染程度首先将患者分为四组，随后他们研究了在生育诊所由医生所进行的精子实验的结果，他们重点关注了精子计数、精子的浓度和运动性/活力等参数，精子的活力描述的是精子平均向前游动的能力，其被认为是精子健康的一个标准。（生物谷Bioon.com） 生物谷更多精彩盘点！敬请期待！

该研究开发的CAP-LNP可向精母细胞递送编码DNA减数分裂重组酶1（Dmc1）蛋白的传统mRNA以及自扩增RNA（saRNA），从而恢复Dmc1蛋白表达，治疗Dmc1基因突变引起的雄性不育症。 男性不育症是一种重要的生殖疾病，影响了全球至少7%的男性。目前，有些男性不育病例可以通过辅助生殖技术（ART）来治疗。然而，ART技术并不能解决因基因突变导致的男性不育问题。例如常见的导致男性不育的Sycp3基因突变和TEX11基因突变，这些基因突变通常与精母细胞蛋白功能异常、减数分裂阻滞和无精子症有关。不幸的是，目前临床上还没有有效的方法来恢复人类的这些遗传功能和生育能力。 为了解决男性不育症这一重要医疗需求，其中一个挑战是将治疗药物递送到患病细胞群（例如精母细胞）。脂质纳米颗粒（LNP）由于其低免疫原性和良好的递送效率，是目前应用最广泛的mRNA递送纳米材料之一。2020年，两款LNP递送的mRNA疫苗获批用于预防新冠病毒（SARS-CoV-2）感染。此外，还有许多研究在探索LNP-mRNA的各种治疗应用。 LNP能够有效递送到肝脏，一些新型LNP也实现了对肺、脾、心脏以及肿瘤组织的递送。但其在睾丸、特别是精母细胞中的有效递送仍然存在着巨大的挑战，这也是mRNA递送的一个有待开发的领域。 2023年2月7日，俄亥俄州立大学董一洲教授团队在 Advanced Science 期刊发表了题为：Cholesterol-Amino-Phosphate (CAP) Derived Lipid Nanoparticles for Delivery of Self-Amplifying RNA and Restoration of Spermatogenesis in Infertile Mice 的研究论文。 该研究开发了新型CAP-LNP载体，能够将mRNA高效递送至精母细胞，在DNA减数分裂重组酶1（Dmc1）基因敲除的无精子症小鼠模型中，CAP-LNP递送表达Dmc1蛋白的自扩增RNA（saRNA），能够长时间表达Dmc1蛋白，恢复无精子症小鼠模型的减数分裂和精子发生。 这项研究证明了通过LNP向精母细胞递送mRNA的可行性，据悉，这也是首次将saRNA应用于免疫治疗以外的遗传性疾病的治疗。这项研究为基因突变引起的男性不育症提供了一种新的潜在治疗方法。 董一洲，西奈山伊坎医学院终身教授。先后获得北京大学医学部药理学学士学位、上海有机化学研究所有机化学硕士学位及北卡罗来纳大学教堂山分校药学博士学位，在010-2014年，董一洲在纳米医学和mRNA先驱Robert Langer和Daniel Anderson教授实验室从事博士后研究工作。2014年，董一洲加入俄亥俄州立大学任助理教授，并于2018年晋升为副教授。2022年，董一洲作为终身教授加入西奈山伊坎医学院。董一洲是国际公认的LNP领域权威学者，他的实验室聚焦于设计和开发用于治疗癌症、遗传病和传染病的纳米颗粒递送系统及RNA疗法，发明了多种用于高效mRNA递送和基因组编辑的纳米载体，并全面改造了mRNA以改进了它们的蛋白质生产能力。 董一洲教授 为了促进mRNA向精母细胞的递送，研究团队关注了一些在生物膜和男性生殖系统中发挥重要作用的生物活性分子。例如，胆固醇是哺乳动物的细胞膜基本结构成分，之前有研究显示，精子发生过程中胆固醇水平升高，表明胆固醇代谢与生育能力之间存在密切关系。此外，磷酸基团是磷脂的极性部分，磷脂是生物膜的关键组成部分，参与细胞运输途径。最后，氨基可以被电离成带正电荷，这可以与带负电荷的mRNA相互作用。 除了生物活性外，可电离脂质的几何形状也可以极大地影响LNP的递送效率，几何形状可以用包封参数（P值）来描述，通常P值大的脂质有利于形成倒锥形，从而有利于有效载荷的内体逃逸。 在这项研究中，董一洲团队整合了上述三种生物活性成分，设计了一系列胆固醇-氨基-磷酸酯（CAP）脂质，然后配置为CAP-LNP，这些CAP脂质由两个刚性疏水尾部（胆固醇）、一个磷酸盐连接子和一个氨基头组成。这种结构组成有望促进相变、内体逃逸和有效载荷的释放。 接下来，研究团队使用这种合理设计的CAP-LNP载体向精母细胞递送编码正确蛋白的mRNA来恢复基因突变导致的精子发生障碍。研究团队选择了DNA减数分裂重组酶1（Dmc1）基因敲除小鼠作为模型，其表型与人类无精子症相似。 Dmc1基因突变会导致减数分裂停滞，因为Dmc1蛋白通过形成同源重组（HR）和修复DNA断裂，在减数分裂中发挥核心作用。恢复Dmc1基因敲除小鼠的精子发生，对于以减数分裂停滞为特征的人类无精子症的治疗具有强烈的临床意义。 研究团队使用CAP-LNP封装编码Dmc1蛋白的mRNA，这些mRNA是自扩增RNA（saRNA），在mRNA序列中加入了可复制序列，在进入细胞后可以像病毒一样，能够利用宿主细胞进行自我复制，从而在极低注射剂量的情况下实现蛋白的高表达。 然后，研究团队将这些CAP-LNP封装的Dmc1 saRNA微量注射到小鼠的生精小管中。随后，CAP-LNP可以向精母细胞的细胞质释放其中的mRNA，这些mRNA成功表达了Dmc1蛋白。最后，足够的Dmc1蛋白补充可以挽救精母细胞的染色体重组，从而恢复减数分裂和精子发生。 利用CAP-LNPs递送编码Dmc1的mRNA，将其注射到生精小管后，将Dmc1-mRNA递送至精原细胞，恢复其染色体重组和精子发生。 总的来说，该研究开发的CAP-LNP可向精母细胞递送编码DNA减数分裂重组酶1（Dmc1）蛋白的传统mRNA以及自扩增RNA（saRNA），从而恢复Dmc1蛋白表达，治疗Dmc1基因突变引起的雄性不育症。 值得注意的是，CAP-LNPs的递送效率明显高于MC3和ALC-0315 LNP。更重要的是，单次注射CAP-LNPs-saRNA可以长时间表达Dmc1蛋白，恢复Dmc1基因敲除小鼠模型的精子发生。 这项研究证明了通过LNP向精母细胞递送mRNA的可行性，据悉，这也是首次将saRNA应用于免疫治疗以外的遗传性疾病的治疗。这项研究为基因突变引起的男性不育症提供了一种新的潜在治疗方法。