代谢调控新策略：精子能量限制与恢复（SER）提升精子功能并促进胚胎发育

《Journal of Animal Science》：18?Metabolic manipulation of spermatozoa improves sperm function with implications for Assisted Reproductive Technologies

本研究针对辅助生殖技术（ART）中胚胎发育能力不足的瓶颈，通过优化精子能量限制与恢复（SER）方案，显著提升了牛和马精子的运动能力及受精后卵母细胞的激活水平。研究证实，SER处理后的牛精子经卵胞浆内单精子注射（ICSI）后，2-细胞胚胎率和囊胚发育率均显著提高，为跨物种体外胚胎生产效率的提升提供了新靶点。

　　

在辅助生殖技术（ART）领域，尽管技术不断进步，但如何获得具有发育能力的优质胚胎仍然是科学家们面临的主要挑战。其中一个关键环节在于精子本身。精子在受精过程中不仅需要提供一半的遗传物质，其自身的能量代谢状态也深刻影响着受精的成功率和后续胚胎的发育潜能。因此，如何通过体外手段优化精子的功能，使其在辅助生殖过程中发挥最佳作用，成为了提升成功率的重要突破口。

此前，研究人员在小鼠模型中发现，通过一种名为“精子能量限制与恢复”（Sperm Energy Restriction and Recovery, SER）的策略，可以有效改善精子的功能，并显著提高体外受精后的胚胎发育率。这一策略的核心在于，先让精子在营养匮乏的环境中“挨饿”，使其代谢状态发生改变，随后再给予充足的营养进行“恢复”，从而激发其潜能。然而，这一策略在牛、马等大型家畜中是否同样有效，以及其背后的具体机制如何，尚不明确。

为了回答这些问题，来自阿根廷、智利和美国的研究团队在《Journal of Animal Science》上发表了一项研究，旨在优化SER方案在牛和马中的应用，并深入探究其对精子功能及胚胎发育的影响。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   精子能量限制与恢复（SER）处理：将冷冻保存的牛和马精子分别置于完全培养基（对照组）和营养缺陷培养基（ST组）中孵育，随后ST组精子转移至含有代谢底物的培养基中进行恢复（SER组）。
2. 2.
   精子功能评估：通过计算机辅助精子分析系统评估精子活力；利用蛋白质印迹法检测PKA底物磷酸化（pPKAs）和酪氨酸磷酸化（pY）水平；利用荧光探针检测细胞内钙离子（Ca²⁺）浓度；利用流式细胞术分析顶体反应状态。
3. 3.
   胚胎生产与评估：将处理后的牛精子用于卵胞浆内单精子注射（ICSI），观察卵母细胞激活情况（Ca²⁺振荡）以及后续的胚胎发育情况（2-细胞率和囊胚率）。

研究结果

SER改善精子运动能力

研究人员首先评估了SER处理对牛和马精子运动能力的影响。结果显示，与对照组相比，经过SER处理的精子在两种物种中均表现出更高的运动能力。这表明，SER策略能够有效提升精子的活力，为其在受精过程中与卵子结合提供了更好的基础。

SER对精子获能相关标志物的影响

为了探究SER改善精子功能的机制，研究人员检测了与精子获能（capacitation）相关的关键分子标志物。结果发现，无论是PKA底物磷酸化（pPKAs）还是酪氨酸磷酸化（pY）水平，在对照组和SER组之间均未观察到显著差异。这表明，SER对精子功能的改善可能并非通过调控经典的获能信号通路实现。

SER对细胞内钙离子和顶体反应的影响

细胞内钙离子（Ca²⁺）是调控精子功能的关键信号分子。研究发现，在马的SER处理中，处于营养限制阶段（ST）的精子表现出更高的细胞内Ca²⁺水平。同时，ST组中活细胞且发生顶体反应（acrosome-reacted）的比例也显著高于对照组（14.4% vs. 6.6%）。这一结果提示，SER处理可能通过改变精子内的钙信号，进而影响其顶体反应状态，这可能是其改善精子功能的重要机制之一。

SER显著提升ICSI后胚胎发育率

为了验证SER处理对受精和胚胎发育的实际效果，研究人员将处理后的牛精子用于卵胞浆内单精子注射（ICSI）。结果令人振奋：使用SER精子的组别，其2-细胞胚胎率显著高于对照组（50% vs. 16%）。更重要的是，在SER组中，有17%的胚胎成功发育到了囊胚（blastocyst）阶段，而对照组则没有胚胎发育到这一阶段。这表明，SER处理不仅提高了受精率，更重要的是，它赋予了精子更强的能力来支持胚胎的后续发育。

SER增强ICSI后卵母细胞激活

ICSI后的卵母细胞激活是受精成功的关键步骤。研究人员通过检测卵母细胞内的钙离子振荡（Ca²⁺peaks）来评估激活水平。结果显示，使用SER精子进行ICSI后，有40%的卵母细胞表现出超过3次的钙离子峰，而对照组仅有10%。这表明，SER处理后的精子能够更有效地触发卵母细胞的激活，这可能是其提高胚胎发育率的重要原因。

研究结论与意义

本研究通过优化精子能量限制与恢复（SER）方案，证实了该策略在牛和马等大型家畜中的有效性。研究结果表明，SER能够显著改善精子的运动能力，并通过调控细胞内钙离子信号，增强精子在ICSI后触发卵母细胞激活的能力。最终，使用SER处理后的精子进行ICSI，能够显著提高2-细胞胚胎率和囊胚发育率。

这项研究的意义在于，它揭示了一种通过代谢调控来提升精子功能的新策略。通过“先抑后扬”的代谢干预，SER能够有效激发精子的潜能，从而克服辅助生殖技术中胚胎发育能力不足的瓶颈。这一发现不仅为牛、马等家畜的体外胚胎生产提供了新的技术手段，也为人类辅助生殖技术的改进提供了重要的理论依据和潜在的应用方向。未来，针对精子代谢的精准调控，有望成为提高辅助生殖成功率的关键环节。