余琛琳,林麗芳,袁子彥,趙善民,湯球,孫偉,蔡麗萍,徐晨,崔淑芳
(第二軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,上海 200433)
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雄性裸鼴鼠可育個(gè)體與不可育個(gè)體生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能差異初探
余琛琳,林麗芳,袁子彥,趙善民,湯球,孫偉,蔡麗萍,徐晨,崔淑芳*
(第二軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,上海 200433)
【摘要】目的 觀察和分析雄性裸鼴鼠中可育個(gè)體和不可育個(gè)體生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的差異,初步探索雄性不可育個(gè)體不能繁育后代的原因。方法 雄性裸鼴鼠可育個(gè)體和不可育個(gè)體各5只,先采集一側(cè)睪丸和附睪組織,稱重后換算臟器系數(shù);再采集另一側(cè)睪丸組織,用中性甲醛溶液進(jìn)行固定后制備組織切片;取另一側(cè)附睪用作精子計(jì)數(shù)、精子活動(dòng)度的測(cè)定;采集血清測(cè)定血清中黃體生成素(LH)和睪酮(T)濃度。結(jié)果 與可育個(gè)體組相比較,不可育個(gè)體組的睪丸重量下降(P<0.05),附睪重量顯著下降(P<0.01),且睪丸系數(shù)和附睪系數(shù)均顯著下降(P<0.01);精子數(shù)量顯著減少(P<0.01),精子活動(dòng)度也顯著減弱(P<0.01);血清黃體生成素和睪酮水平均顯著降低(P<0.01);睪丸組織切片觀察顯示,不可育個(gè)體各級(jí)生精細(xì)胞嚴(yán)重脫落,排列混亂無(wú)序,支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞均有減少。結(jié)論 雄性裸鼴鼠不可育個(gè)體生殖系統(tǒng)存在睪丸和附睪萎縮、生精功能下降和性激素分泌減少等現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】裸鼴鼠;可育個(gè)體;不可育個(gè)體;雄性生殖系統(tǒng);精子發(fā)生;黃體生成素;睪酮
裸鼴鼠(Heterocephalus glaber,naked mole rat,NMR)是一種近年來(lái)備受世界各國(guó)科研工作者關(guān)注的新型實(shí)驗(yàn)用動(dòng)物[1],在動(dòng)物學(xué)分類位置上屬于哺乳綱、嚙齒目、豪豬亞目、濱鼠科、裸鼴鼠屬、裸鼴鼠種,其產(chǎn)于非洲肯尼亞、索馬里、埃塞俄比亞等地,終生生活在地下2 m的洞穴中,以刨取泥土中的植物根莖為食[2,3]。成年動(dòng)物體重約為30 ~50 g,體型較小,外觀全身幾乎無(wú)毛;門齒暴露于口腔之外,用于刨掘泥土和啃食食物;由于地洞中常年昏暗無(wú)光,其眼睛高度退化,視力幾乎喪失,體表有40多根觸毛分布于身體兩側(cè)與嘴巴附近,以感受周圍環(huán)境。
裸鼴鼠雖為哺乳動(dòng)物,其種群卻像螞蟻和蜜蜂等昆蟲一樣行真社會(huì)性生活方式,野生狀態(tài)下一個(gè)洞穴中常有300多只裸鼴鼠共同生活,其中只有1只稱為鼠王的雌鼠和1~3只雄鼠能夠繁殖后代,其余皆為工鼠,工鼠失去生殖能力[4,5]。在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)條件下,當(dāng)數(shù)個(gè)裸鼴鼠個(gè)體一起繁殖飼養(yǎng)時(shí),繁育情況也是如此。因此,本研究擬對(duì)雄性裸鼴鼠可育個(gè)體和不可育個(gè)體的生殖系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)、精子發(fā)生、數(shù)目及活力、相關(guān)性激素等進(jìn)行比較研究,以期初步探索裸鼴鼠雄性不育個(gè)體生殖系統(tǒng)方面的缺陷,為后期繁育提供一定理論依據(jù)。
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
選擇本中心飼育的已交配并成功繁育后代的雄性裸鼴鼠5只、已交配過(guò)但未成功繁育后代的雄性裸鼴鼠5只,年齡范圍為2~5年,各項(xiàng)生理指標(biāo)均健康正常;可育個(gè)體分別編號(hào)為1-5號(hào),不可育個(gè)體分別編號(hào)為6-10號(hào)。
1.2 裸鼴鼠睪丸和附睪臟器系數(shù)的測(cè)定
動(dòng)物稱量體重后,腹腔注射0.3%戊巴比妥鈉(注射劑量為10 mL/kg體重)進(jìn)行麻醉。待動(dòng)物麻醉完全后(立即眼眶采血用于性激素的測(cè)定),將其仰臥固定于解剖板上,首先用75%酒精棉球擦拭腹部開口部位進(jìn)行皮膚消毒,繼而剪開腹壁,暴露生殖系統(tǒng)。無(wú)菌術(shù)分離一側(cè)睪丸和附睪立即置于生理鹽水中,用眼科剪剔除睪丸和附睪周圍的結(jié)締組織及脂肪組織[6,7],并用生理鹽水沖洗干凈,濾紙吸干水分后稱量臟器重量,再根據(jù)以下公式計(jì)算睪丸及附睪臟器系數(shù):
睪丸臟器系數(shù) (%)=[睪丸重量(g)/NMR體重(g)]×100%
附睪臟器系數(shù) (%)=[附睪重量(g)/NMR體重(g)]×100%
1.3 睪丸組織形態(tài)學(xué)觀察
采集裸鼴鼠一側(cè)新鮮睪丸組織,用生理鹽水洗凈殘余血跡,并用眼科剪剔除睪丸周圍的結(jié)締組織及脂肪組織后,即刻放入預(yù)先備好的10%中性福爾馬林溶液中進(jìn)行組織固定。組織固定24 h后,依次浸入95%乙醇、無(wú)水乙醇溶液進(jìn)行脫水,繼而依次浸入二甲苯∶無(wú)水乙醇(V∶V=1∶1)和純二甲苯溶液中進(jìn)行透明,最后將組織進(jìn)行石蠟包埋,用于切片、HE染色后,顯微鏡下觀察睪丸的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)。
1.4 精子計(jì)數(shù)、精子活動(dòng)度的測(cè)定
1.4.1 精子計(jì)數(shù)
將采集的裸鼴鼠一側(cè)附睪組織置于1 mL生理鹽水中,用眼科剪將附睪縱向剪1~2刀,用吸管輕柔吹打數(shù)次,靜止3~5 min,形成精子懸液。然后將精子懸液放入三氣培養(yǎng)箱中,35℃恒溫孵育25~30 min,讓精子能夠從附睪組織中充分游離出來(lái)。吸取精子懸液1滴到血細(xì)胞計(jì)數(shù)板上,蓋上蓋玻片,靜置約2 min后進(jìn)行精子計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)5個(gè)中方格內(nèi)精子數(shù),計(jì)算精子懸液中精子的數(shù)量[8]。
1.4.2 精子活動(dòng)度測(cè)定
取一滴裸鼴鼠精子懸液置于清潔載玻片上,靜置約2 min,按文獻(xiàn)方法[9],在鏡下連續(xù)計(jì)數(shù)200個(gè)精子中向前活動(dòng)的精子數(shù),并進(jìn)行分級(jí):A級(jí)呈快速、直線向前運(yùn)動(dòng),表明精子活動(dòng)很好;B級(jí)呈慢速或遲鈍的向前直線運(yùn)動(dòng),表明精子活動(dòng)較好;C級(jí)呈向前曲線運(yùn)動(dòng),表明精子活動(dòng)力一般;D級(jí)呈不活動(dòng)或只在原地蠕動(dòng),表明精子活動(dòng)能力差。按照公式[精子活動(dòng)度(%)=(A+B+C)/(A+B+C +D)×100%]推算單側(cè)附睪精子懸液中的精子活動(dòng)度。
1.5 相關(guān)性激素的測(cè)定
所有裸鼴鼠麻醉完全后,在采集睪丸和附睪組織前,進(jìn)行眼眶采血,全血于室溫放置2 h后于2~8℃、1000 r/min離心15 min,取上清用放射免疫法進(jìn)行血清黃體生成素(luteinizing hormone,LH)和睪酮(testosterone,T)濃度的測(cè)定[10,11]。
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理
采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),均利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析處理。所得數(shù)據(jù)均以(均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)表示,組間比較采用t檢驗(yàn),當(dāng)P<0.05時(shí),組間差異為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 雄性可育個(gè)體與不可育個(gè)體睪丸和附睪臟器系數(shù)比
經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn),不可育個(gè)體的睪丸重量低于可育個(gè)體(P<0.05),附睪重量顯著低于可育個(gè)體,且睪丸系數(shù)百分比和附睪系數(shù)百分比均顯著低于可育個(gè)體(P<0.01)(如表1所示)。
表1 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的睪丸重量、附睪重量、體重以及睪丸和附睪系數(shù)的比較(±s,n=5)Tab.1 Comparison of the weight of testis,epididymis and body,testicular coefficient,and epididymis coefficient between fertile and infertile naked mole rats
表1 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的睪丸重量、附睪重量、體重以及睪丸和附睪系數(shù)的比較(±s,n=5)Tab.1 Comparison of the weight of testis,epididymis and body,testicular coefficient,and epididymis coefficient between fertile and infertile naked mole rats
注:*與可育個(gè)體組比較,P<0.05;**與可育個(gè)體組比較,P<0.01。Note.*P<0.05,**P<0.01,compared with the fertile group.
附睪系數(shù)/% Epididymis coefficient可育個(gè)體Fertile individuals 0.0362±0.0065 0.0018±0.0003 38.6661±3.5168 0.0934±0.0110 0.0046±0.0005不可育個(gè)體Infertile individuals 0.0265±0.0036* 0.0011±0.0001** 35.7804±3.5601 0.0741±0.0079** 0.0030±0.0003**雄性裸鼴鼠Male naked mole rats睪丸重量/g Weight of testis附睪重量/g Weight of epididymis體重/g Body weight睪丸系數(shù)/% Testicular coefficient
2.2 睪丸組織形態(tài)學(xué)觀察
經(jīng)鏡下觀察發(fā)現(xiàn),裸鼴鼠可育個(gè)體睪丸的被膜光滑完整,曲細(xì)精管橫切面可觀察到各種不同發(fā)育階段的生精細(xì)胞,如精原細(xì)胞、初級(jí)精母細(xì)胞、次級(jí)精母細(xì)胞、精子細(xì)胞,而且中間腔隙中有較多成熟精子;生精小管壁上還附著一種不規(guī)則的長(zhǎng)椎體形細(xì)胞,頂部伸向腔面,即為支持細(xì)胞;曲細(xì)精管外有成群間質(zhì)細(xì)胞,體積較大,呈圓形或橢圓形,核圓形,細(xì)胞質(zhì)嗜酸性(如圖1A所示)。而不可育個(gè)體睪丸的被膜有斷裂現(xiàn)象,曲細(xì)精管橫切面可見其明顯萎縮,細(xì)胞間出現(xiàn)大量空泡,生精細(xì)胞嚴(yán)重脫落,管腔內(nèi)成熟精子明顯變少;支持細(xì)胞也有脫落現(xiàn)象,只有基膜裸露;曲細(xì)精管外間質(zhì)疏松,間質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少(如圖1B所示)。
2.3 精子計(jì)數(shù)、精子活動(dòng)度的測(cè)定
經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn),不可育個(gè)體附睪的精子數(shù)量顯著低于可育個(gè)體(P<0.01),同時(shí)精子活動(dòng)度也顯著低于可育個(gè)體(P<0.01)(如表2所示)。
2.4 相關(guān)性激素濃度測(cè)定
經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn),不可育個(gè)體的血清黃體生成素濃度顯著低于可育個(gè)體(P<0.01),同時(shí)睪酮濃度也顯著低于可育個(gè)體(P<0.01)(如表3所示)。
圖1 可育個(gè)體(A)和不可育個(gè)體(B)的睪丸曲細(xì)精管橫切面組織形態(tài)(×200)Fig.1 Histology of the seminiferous tubules of fertile(A)and infertile(B)individuals(×200)
表2 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的精子計(jì)數(shù)和精子活動(dòng)度的比較(±s,n=5)Tab.2 Comparison of the sperm count and sperm activitybetween fertile and infertile individuals
表2 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的精子計(jì)數(shù)和精子活動(dòng)度的比較(±s,n=5)Tab.2 Comparison of the sperm count and sperm activitybetween fertile and infertile individuals
注:*與可育個(gè)體組比較,P<0.05;**與可育個(gè)體組比較,P<0.01。Note.*P<0.05,**P<0.01,compared with the fertile group.
雄性裸鼴鼠Male naked mole rats精子計(jì)數(shù)×106/mL Sperm count精子活動(dòng)度/% Sperm activity可育個(gè)體Fertile individuals 8.26±0.1.37 50.92±11.79不可育個(gè)體Infertility individuals 1.80±0.43** 10.42±14.91**
表3 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的血清黃體生成素和睪酮濃度的比較(±s,n=5)Tab.3 Comparison of serum LH and Tlevels between the fertile and infertile individuals
表3 可育個(gè)體與不可育個(gè)體的血清黃體生成素和睪酮濃度的比較(±s,n=5)Tab.3 Comparison of serum LH and Tlevels between the fertile and infertile individuals
注:*與可育個(gè)體組比較,P<0.05;**與可育個(gè)體組比較,P<0.01。Note.*P<0.05,**P<0.01,compared with the fertile group.
雄性裸鼴鼠Male naked mole rat黃體生成素LH mIU/mL睪酮T ng/mL可育個(gè)體Fertile individuals 19.78±3.32 26.04±5.50不可育個(gè)體Infertile individuals 4.56±0.55** 5.84±2.94**
哺乳動(dòng)物的雄性生殖系統(tǒng)包括睪丸、附睪、輸精管以及發(fā)達(dá)的輔助性腺,其中,睪丸是雄性生殖系統(tǒng)中最重要的器官,主要發(fā)揮合成與分泌雄性激素、產(chǎn)生精子的功能,在動(dòng)物的性別分化、個(gè)體發(fā)育、維持繁育功能等方面均具有極為重要的作用。附睪也是雄性生殖系統(tǒng)中重要的器官,對(duì)于精子的成熟、貯存和保護(hù)起決定作用[12]。
中心課題組在前期研究與觀察過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)裸鼴鼠雄性生殖系統(tǒng)和其他哺乳動(dòng)物略有差異:首先其生殖系統(tǒng)包括睪丸組織,全部器官均位于腹腔內(nèi),沒有像其他雄性動(dòng)物那樣有明顯的陰囊存在;其次,其附睪體積非常小,僅僅為一小段細(xì)管狀結(jié)構(gòu)蜿蜒折疊,附著于睪丸尾部;再者,裸鼴鼠生殖系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)精囊腺、前列腺和尿道球腺等輔助性腺。
一般認(rèn)為臟器系數(shù)下降意味著該器官出現(xiàn)了萎縮或退行性變化[13]。睪丸和附睪是精子生成和成熟的場(chǎng)所,睪丸和附睪組織的重量和臟器系數(shù)的變化,一定程度上可以反映其受損或者退化情況。本研究發(fā)現(xiàn),與裸鼴鼠雄性可育個(gè)體相比,不可育個(gè)體不論是睪丸重量(P<0.05)、附睪重量(P<0.01),還是睪丸臟器系數(shù)(P<0.01)、附睪臟器系數(shù)(P<0.01),均有顯著下降,從臟器實(shí)質(zhì)性角度說(shuō)明,不可育個(gè)體的生殖器官確實(shí)存在萎縮或退化的現(xiàn)象。
經(jīng)組織形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),不可育個(gè)體的生精單位—睪丸曲細(xì)精管出現(xiàn)明顯的病理變化。首先,不可育個(gè)體的各級(jí)生精細(xì)胞不再有序排列,而是出現(xiàn)大量脫落、萎縮現(xiàn)象,腔隙中成熟精子的數(shù)量明顯減少。其次,曲細(xì)精管基膜上的支持細(xì)胞也有脫落和減少現(xiàn)象。而正常的睪丸組織中,支持細(xì)胞底部會(huì)相互緊貼,參與形成血睪屏障[14];同時(shí)還有分泌運(yùn)送精子的液體、雄性激素結(jié)合蛋白、抑制素、性激素、少量雌性激素,以及營(yíng)養(yǎng)和支持各級(jí)生精細(xì)胞的功能[15],因此一旦支持細(xì)胞減少,將會(huì)嚴(yán)重影響睪丸的生精作用。第三,曲細(xì)精管外的間質(zhì)細(xì)胞數(shù)目也有減少,而間質(zhì)細(xì)胞可分泌睪酮,促進(jìn)精子發(fā)生和雄性生殖器官發(fā)育[16],因此,間質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少也會(huì)影響雄性動(dòng)物個(gè)體的生殖功能。
精液質(zhì)量分析是評(píng)價(jià)雄性動(dòng)物生殖能力常用的方法之一,可以通過(guò)精子計(jì)數(shù)、觀測(cè)精子活動(dòng)力等,檢測(cè)和分析精子的數(shù)量和質(zhì)量,并由此推測(cè)雄性動(dòng)物個(gè)體的生育能力。足夠數(shù)量的精子數(shù)是維持雄性動(dòng)物生育能力的重要前提,在評(píng)價(jià)雄性機(jī)體生殖能力方面,精子計(jì)數(shù)的差異比其他指標(biāo)更為敏感,因此是評(píng)價(jià)雄性生殖能力的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn),裸鼴鼠不可育個(gè)體精子數(shù)目相較于可育個(gè)體減少了約4倍(P<0.01),表明不可育個(gè)體精子發(fā)生過(guò)程可能受到了嚴(yán)重的抑制或者損傷。雄性動(dòng)物的生育能力與其受精能力密切相關(guān),而精子具備很好的活動(dòng)力,是完成受精過(guò)程的基礎(chǔ),因而精子活動(dòng)度是進(jìn)行雄性機(jī)體生育能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)也是檢測(cè)精子運(yùn)動(dòng)能力以及評(píng)價(jià)成熟精子功能的重要指標(biāo)之一[17]。本研究中發(fā)現(xiàn),裸鼴鼠不可育個(gè)體精子活動(dòng)速度明顯低于可育個(gè)體(P<0.01)。由此可見,雄性裸鼴鼠不可育個(gè)體,不僅產(chǎn)生的精子數(shù)目明顯不足,而且活力也不足以完成受精過(guò)程。
睪丸的生精過(guò)程和各種激素水平的穩(wěn)定主要通過(guò)下丘腦—腺垂體—睪丸軸進(jìn)行調(diào)節(jié)[18]。首先,由下丘腦分泌的促性腺激素釋放激素,經(jīng)由垂體門脈系統(tǒng)直達(dá)腺垂體;再作用于腺垂體并促進(jìn)其合成和分泌卵泡刺激素(follicle-stimulating hormone,F(xiàn)SH)和黃體生成素(LH)。其中,LH主要作用于間質(zhì)細(xì)胞,可以刺激間質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育并促進(jìn)其分泌睪酮(T),因而對(duì)雄性生殖系統(tǒng)的發(fā)育和維持具有重要意義。睪酮是睪丸分泌的主要雄性激素之一,也是雄性動(dòng)物最重要的雄性激素,對(duì)維持雄性附屬性腺及性器官的成熟具有重要作用。因此,LH和T都是從激素水平評(píng)價(jià)雄性動(dòng)物生殖能力的可靠指標(biāo)。本研究中裸鼴鼠雄性不可育個(gè)體LH和T均顯著低于可育個(gè)體(P<0.01),說(shuō)明雄性裸鼴鼠不可育個(gè)體在生殖系統(tǒng)發(fā)育和雄性激素合成與分泌等方面也存在缺陷。
綜上所述,本研究從裸鼴鼠雄性生殖系統(tǒng)的臟器系數(shù)、組織形態(tài)學(xué)、精子數(shù)量和活動(dòng)度,以及相關(guān)性激素水平等幾個(gè)方面證實(shí),裸鼴鼠不可育個(gè)體雄性生殖系統(tǒng)存在組織結(jié)構(gòu)萎縮、功能衰退等現(xiàn)象。與此同時(shí),關(guān)于裸鼴鼠雄性個(gè)體可育或不可育的相關(guān)機(jī)制值得深入探討,本中心也正在進(jìn)行相關(guān)研究。
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【中圖分類號(hào)】Q95-33
【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【文章編號(hào)】1005-4847(2016)03-0248-05
Doi:10.3969/j.issn.1005-4847.2016.03.006
[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技支撐計(jì)劃(No.2015BAI09B02);2014年度軍隊(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物專項(xiàng)科研課題[No.SYDW〔2014〕005號(hào))、No.SYDW (2014)007號(hào)]聯(lián)合資助。
[作者簡(jiǎn)介]余琛琳,女(1981-),碩士,講師。
[通訊作者]崔淑芳,教授,Email:youngstar_sf@163.comConclusions Compared with the fertile individuals,the reproductive system of infertile male naked mole rats presents structural atrophy and declined function.
Corresponding author:CUI Shu-fang,Email:youngstar_sf@163.com
[收稿日期]2015-11-15
Structural and functional differences of the reproductive system in fertile and infertile male naked mole rats
YU Chen-lin,LIN Li-fang,YUAN Zi-yan,ZHAO Shan-min,TANG Qiu,SUN Wei,CAI Li-ping,XU Chen,CUI Shu-fang*
(Laboratory Animal Center,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)
【Abstract】Objective The aim of this study was to observe and analyze the differences of reproductive system in fertile and infertile male naked mole rats.Methods Five fertile and 5 infertile 2-5-year old male naked mole rats were used in this study.The testis and epididymis on one side were collected,weighted,and measured to get their viscera coefficient.The other side testicle was collected and fixed in neutral formalin solution for histological examination.The other side epididymis was used to examine the sperm count and sperm activity.Serum of the naked mole rats was collected to measure the level of luteinizing hormone(LH)and testosterone(T).Results Compared with the fertile group,the testis weight of infertile group was significantly decreased(P<0.05),their epididymis weight,testicular coefficient and the epididymis coefficient were all significantly decreased(P<0.01),all their sperm count and sperm activity and their LH and T levels were significantly decreased(P<0.01 for all).Pathological examination of the testicular tissues of the fertile group showed that many types of spermatogenic cells were seriously detached,the numbers of Sertoli cells and stromal cells were decreased.Mature sperms in the seminiferous tubules were highly decreased in number or even completely disappeared.
【Key words】Naked mole rat;Fertile individuals;Infertile individuals;Reproductive system;Spermatogenesis;Luteinizing hormone;Testosterone
中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào)2016年3期