Method Article
В этой статье мы представляем метод выполнения круговой инъекции сперматид (ROSI) мышам, метод с многообещающим клиническим применением и полезностью для исследования механизмов, лежащих в основе эмбрионального развития.
Круглые сперматиды, характеризующиеся своим гаплоидным генетическим составом, представляют собой клетки-предшественники зрелых сперматозоидов. Благодаря инновационной методике круглой инъекции сперматид (ROSI) ооциты могут быть успешно оплодотворены и развиться в жизнеспособные плоды. В 1995 году с помощью технологии ROSI был рожден первый эмбрион мыши. С тех пор ROSI стал ключевым инструментом для разгадки сложных механизмов, управляющих эмбриональным развитием, и обладает значительным потенциалом в различных приложениях, включая ускорение генерации мышей и производство генетически модифицированных мышей. В 1996 году была достигнута важная веха, когда с помощью технологии ROSI родился первый человеческий плод. Тем не менее, клиническое применение этого метода показало колеблющуюся картину успеха и неудачи. На сегодняшний день технология ROSI не нашла широкого применения в клинической практике, в первую очередь из-за низкой эффективности родов и недостаточной валидации безопасности плода. В этой статье представлен всесторонний отчет о точных методах проведения ROSI у мышей, направленный на то, чтобы пролить новый свет на фундаментальные исследования и их потенциальное клиническое применение.
Заключительная стадия сперматогенеза включает в себя превращение круглой сперматиды в полностью развитый сперматозоид, характеризующийся отчетливымиструктурами головы, шеи и удлиненного хвоста. Эта трансформация включает в себя значительные изменения в морфологии клетки, такие как конденсация хроматина в ядре, замещение гистонов протамином, образование акросом, развитие митохондриальной оболочки, миграция и потеря центриолей, формирование структуры хвоста и удаление клеточныхостатков.
В 1992 году спомощью технологии интрацитоплазматической инъекции сперматозоида (ИКСИ) был успешно рожден первый человеческий плод. С тех пор исследователи изучают потенциал использования круглых сперматид, которые имеют тот же гаплоидный генетический состав, что и зрелые сперматозоиды, для оплодотворения ооцитов и поддержания жизнеспособной беременности. Впоследствии, в 1996 году,был доставлен первый человеческий плод, зачатый с помощью технологии круглой инъекции сперматид (ROSI). Стоит отметить, что исследования с использованием ИКСИ и РОСИ у мышей отставали от исследований на людях из-за подверженности мембраны ооцитов мыши к повреждениям в процессе инъекции. Этот вопрос был успешно решен с внедрением устройства для разрыва пьезомембран. В результате в 1995 году на свет появилась первая мышь, зачатая с помощью технологии ROSI. Кроме того, также ведутся исследования ROSI у различных других животных 7,8.
В настоящее время исследования ROSI в основном сосредоточены на следующих аспектах: клиническое применение, выяснение механизмов и стратегии повышения эффективности разработки, а также более широкое применение технологии ROROS. В контексте клинического применения, несмотря на рождение первого человеческого плода с помощью ROSI в 1996 году, прогресс был отмечен рядом успехов и неудач 9,10,11,12. На сегодняшний день технология ROSI не получила широкого клинического внедрения, в основном из-за ее низкой эффективности и необходимости дальнейшей валидации безопасности плодов, зачатых с помощью технологии ROSI. Неполные статистические данные свидетельствуют о том, что во всем мире было рождено менее 200 человеческих плодов, зачатых с помощью ROSI. Поворотный момент в понимании потенциала технологии ROSI произошел в 2015 году, когда Танака и его коллеги сообщили об успешном рождении 14 плодов с помощью технологии ROSI, вселив новую уверенность в ее клиническом применениии осуществимости. Технология ROSI имеет значительные перспективы для решения проблем репродуктивной биологии, особенно у пациентов с необструктивной азооспермией. В дополнение к своему клиническому применению, ROSI служит ценным инструментом для изучения сложных механизмов эмбрионального развития 15,16,17.
Были проведены многочисленные исследования на животных для изучения основных факторов, способствующих низкой эффективности ROSI в достижении полного эмбрионального развития. К таким факторам относятся выбор методов вспомогательной активации ооцитов (АОА) и их сроки, аномалии стабильности генома и, в частности, аномалии эпигенетических модификаций. Важно признать, что круглые сперматиды являются незрелыми половыми клетками, существенно отличающимися от зрелых сперматозоидов в различных физиологических аспектах. Мидзуки Сакамото и его коллеги указали, что H3K27me3, полученный из круглых сперматид, связан с хроматином, который менее доступен и приводит к нарушению экспрессии генов у эмбрионов ROSI18. В аналогичном исследовании Jing Wang и его коллег перепрограммирование дефектов в эмбрионах ROSI на пронуклеарных стадиях было преимущественно связано с неправильной экспрессией когорты генов, ответственных за незначительнуюактивацию зиготического генома. Они также обнаружили, что введение селективного эухроматического ингибитора гистон-лизинметилтрансферазы 2, A366, потенциально может увеличить общую скорость развития примерно в два раза.
Мышь является одним из наиболее ценных модельных животных для изучения эмбрионального развития. В этой статье подробно рассказывается о том, как проводить ROSI на мышах. Этот комплексный протокол включает в себя выбор подходящих мышей, подробные процедуры индукции овуляции, методы АОА, техники инъекций и подготовку суррогатных мышей. Кроме того, мы представляем сравнительный анализ влияния двух схем инъекций на эффективность родов: АОА с последующей РОСИ (A-ROSI; первая схема) и ROSI с последующей AOA (ROSI-A; вторая схема). Мы стремимся поощрять исследователей проводить эксперименты с ROSI на мышах с большей точностью, предлагая более надежную поддержку для их клинического применения и фундаментальных исследований механизмов эмбрионального развития.
Мыши B6D2F1 (C57BL/6 x DBA/2), C57BL/6 и ICR, использованные в этом эксперименте, были приобретены у Beijing Vital River Laboratory Animal Technologies Co. Ltd. (Пекин, Китай). Все методы лечения животных проводились в соответствии с экспериментальными процедурами и стандартами, утвержденными Комитетом по этике экспериментальных животных Первой больницы Цзилиньского университета (номер одобрения: 20200435).
1. Приготовление соответствующих реагентов
2. Подготовка ооцитов
3. Заготовка круглых сперматид и сперматозоидов
4. Круглая инъекция сперматид (ROSI)
5. Интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида (ИКСИ)
6. Вспомогательная активация ооцитов (АОА)
7. Перенос эмбрионов
8. Статистический анализ
Мы начали наше исследование с изучения влияния АОА на способность эмбрионов к развитию. Схематическая иллюстрация плана эксперимента показана на рисунке 1А. Перед инъекцией сперматозоидов ооциты подвергались либо AOA (A-ICSI), либо оставались нелеченными (ICSI). Подробные данные об эмбриональном развитии представлены в таблице 1. Результаты не выявили существенных различий в расщеплении, бластоцисте или частоте рождаемости между группами А-ИКСИ и ИКСИ (P > 0,05; Рисунок 1B). Эти данные указывают на то, что АОА с использованием 10 мМ SrCl2 в течение 20 мин не повлиял на потенциал развития эмбрионов.
Ранее сообщалось, что не было заметных различий в эффективности развития эмбрионов ROSI, отобранных с помощью FACS или прямого визуального исследования подмикроскопом. В наших экспериментах использовалась технология FACS для идентификации ДЗ (рис. 2A, B). Под микроскопом круглые сперматиды мыши имели диаметр около 10 мкм и имели выпячивающуюся ядрышковую структуру в середине (рис. 2C). Мы утверждаем, что отбор с помощью FACS является более точным, чем прямой визуальный осмотр под микроскопом. Кроме того, литература поддерживает прямое исследование РС через морфологические различия. Эмбрионы ROSI были получены с использованием двух различных методов: группы A-ROSI, где ооциты подвергались воздействию AOA до круглой инъекции сперматиды, и группы ROSI-A, где ооциты подвергались воздействию AOA после круглой инъекции сперматиды. Принципиальная схема плана эксперимента представлена на рисунке 1С. Примечательно, что не было обнаружено существенных различий в показателях расщепления и бластоцисты в группах A-ROSI, ROSI-A и ИКСИ (P > 0,05; Рисунок 1D). Частота бластоцисты в группах A-ROSI, ROSI-A и ИКСИ была достоверно выше, чем в группе активации (P < 0,05; Рисунок 1D). Тем не менее, рождаемость в группе ROSI была ниже, чем в группе ИКСИ, независимо от того, были ли ооциты активированы до или после инъекции (P < 0,05; Рисунок 1D). Важно отметить, что уровень рождаемости в группе A-ROSI был немного выше, чем в группе ROSI-A (рисунок 1D). Более подробная информация о развитии эмбрионов представлена в таблице 1.
Рисунок 1: Эмбрионы ROSI продемонстрировали сниженную эффективность развития по сравнению с эмбрионами ИКСИ. (A) Схематическая иллюстрация экспериментального протокола, оценивающего влияние активации на эмбриональное развитие ИКСИ. Синий = ооциты не были активированы; Желтый = ооциты были активированы. (В) Эффективность развития эмбрионов, полученных с помощью А-ИКСИ и ИКСИ. (C) Схематическое изображение экспериментального протокола для получения различных типов эмбрионов. (D) Эффективность развития эмбрионов, полученных из A-ROSI, ROSI-A, A и ICSI. **, P < 0,01. Сокращения: А = Активация Е = Эмбриональный день; ROSI = Круглая инъекция сперматид; ИКСИ = интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида. Полосы погрешностей показывают стандартное отклонение. Сравнение скоростей проводится с помощью критерия хи-квадрат. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Круглые сперматиды были отобраны с помощью проточной цитометрической сортировки. (A) Диаграмма проточной цитометрической сортировки была использована для отбора круглых сперматид. (B) Репрезентативные изображения, демонстрирующие выбор круглых сперматид. Масштабная линейка: 10 μм. Сокращения: FSC = Прямой разброс; SSC = боковой разброс; 355 - длина волны возбуждения; 460/50 и 670/30 - это два канала детектирования под лазером с длиной волны 355. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Группы | Предимплантационная разработка | Постимплантационное развитие | |||
Реплицирует | Коэффициент спайности (%) | Частота бластоцисты (%) | Перенесены 2-клеточные эмбрионы/ No. получателей | Рождаемость (%) | |
А-ИКСИ | 5 | 99.33 (149/150) | 75.17 (112/149) | 49/5 | 48.98 (24/49) |
А-РОЗИ | 5 | 99.33 (149/150) | 73.83 (110/149) | 44/5 | 18.18 (8/44) ** |
РОСИ-А | 5 | 98.00 (147/150) | 64.63 (95/147) | 45/5 | 13.33 (6/45) ** |
Активация | 5 | 100.00 (150/150) | 12.00 (18/150) ** | 51/5 | 0.00 (0/51) ** |
ИКСИ | 5 | 98.00 (147/150) | 73.47 (108/147) | 46/5 | 52.17 (24/46) |
Таблица 1. Эффективность развития эмбрионов, полученных из разных групп.
Дополнительная таблица 1. Доля различных клеточных популяций, отсортированных с помощью проточной цитометрии. Часть P3 представляет собой круглые сперматиды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Вспомогательная активация ооцитов
Важнейшей предпосылкой для ROSI является АОА, поскольку круглые сперматиды сами по себе не могут инициировать активацию ооцитов. В настоящее время наиболее распространенный метод на мышах включает использование хлорида стронция 23,24, в то время как наиболее продвинутое применение на людях использует электрическую активацию13,14. Время активации ооцитов также имеет большое значение. Как сообщается в литературе, наиболее оптимальный подход к активации у мышей включает в себя первоначальную активацию ооцита, а затем введение круглого сперматиды25. Это контрастирует с обычным процессом оплодотворения, при котором сперматозоиды сначала попадают в ооциты, а затем высвобождают фосфолипазу C ζ для активации ооцита26. Специализированное исследование, проведенное Сатоши Кишигами и его коллегами, подчеркивает дифференциальную способность ROSI образовывать мужское ядро в пре- или постактивированных ооцитах. Для достижения эффективной скорости производства потомства оба типа инъекций должны быть проведены до того, как ооциты войдут в фазуG1 25.
Диаметр инъекционной иглы
В контексте ROSI важно отметить, что больший диаметр инъекционной иглы не обязательно приводит к лучшим результатам. Используемая инъекционная игла имеет диаметр 6-7 мкм, что немного меньше круглой сперматиды. Поэтому при аспирации круглой сперматиды клеточная мембрана подвергается сжимающему эффекту, потенциально приводящему к прямому обнажению ядра. Такое прямое воздействие может способствовать деполимеризации и последующему образованию мужского пронуклеуса27.
Герметизирующая обработка
Ооциты мышей демонстрируют меньшую цитоплазматическую вязкость по сравнению с другими видами. Даже небольшой разрыв в клеточной мембране может привести к тому, что цитоплазма будет легко вытекать, что приведет к дегенерации ооцитов28. Чтобы снизить риск, после введения круглой сперматиды в цитоплазму ооцита и извлечения инъекционной иглы, необходимо аспирировать небольшую часть клеточной мембраны рядом с отверстием клеточной мембраны ооцита, чтобы запечатать пространство, аналогично процедуре при ИКСИ21. Этот процесс герметизации значительно снижает риск дегенерации ооцитов.
Применение ROSI в качестве модели
Помимо клинического применения, технология ROSI имеет множество других применений в качестве модели. Он может ускорить генерацию мышей в29 раз, спасти женскую летальность в результате унаследованной по отцовской линии делеции Xist у мышей17, создать мышей после круглой инъекции сперматид в гаплоидные партеногенетические двухклеточные бластомеры15, создать трансгенное потомство мышей16 и сохранить фертильность у детей подросткового возраста до лечения рака30,31. Тщательные исследования ROSI у мышей могут внести существенный вклад в прогресс в исследованиях в области репродуктивного здоровья.
Ограничения статьи
Данная статья служит методологическим руководством с рядом ограничений, включая отсутствие прямого сравнительного отбора ДЗ под микроскопом для инъекций и ощущаемое отсутствие инноваций.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта финансовых или иных интересов.
Мы выражаем нашу благодарность Вэньцзе Чжао за ее неоценимую помощь в сортировке круглых сперматид с помощью проточной цитометрии и Фан Ван за ее опыт в переносе эмбрионов мышей. Эта работа получила частичную поддержку от Фонда естественных наук провинции Цзилинь (No. YDZJ202301ZYTS461). Мы благодарим компанию Bullet Edits Limited за лингвистическое редактирование и корректуру рукописи.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CaCl22H2O | Sigma | C7902 | Preparation of CZB |
Glucose | Sigma | G6152 | Preparation of CZB |
HEPES-Na (basic) | Sigma | H3784 | Preparation of CZB |
Hoechst 33342 | Beyotime | C1025 | FACS |
human chorionic gonadotropin (HCG) | Ningbo Second Hormone Company | HCG | Ovulation promoting drugs |
Hyaluronidase | Sigma | H3506 | Removing granulosa cells around the oocyte |
KCl | Sigma | P5405 | Preparation of CZB |
KH2PO4 | Sigma | P5655 | Preparation of CZB |
KSOMaa | Caisson Labs | IVL04-100ML | Potassium simplex optimized medium supplemented with amino acids |
L-glutamine | Sigma | G8540 | Preparation of CZB |
M2 | Sigma | M7167-50ML | Operating fluid |
MgSO47H2O | Sigma | M1880 | Preparation of CZB |
Na2-EDTA2H2O | Sigma | E5134 | Preparation of CZB |
NaCl | Sigma | S5886 | Preparation of CZB |
NaHCO3 | Sigma | S5761 | Preparation of CZB |
Na-lactate 60% syrup d = 1.32 g/L | Sigma | L7900 | Preparation of CZB |
Na-pyruvate | Sigma | P4562 | Preparation of CZB |
Piezo drill tips (ICSI) | Eppendorf | piezoXpert | Piezoelectric membrane rupture |
pregnant mare serum gonadotropin (PMSG) | Ningbo Second Hormone Company | PMSG | Ovulation promoting drugs |
PVA | Sigma | P8136 | Preparation of CZB |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены