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Method Article
Hier stellen wir eine Methode zur Durchführung der runden Spermatideninjektion (ROSI) bei Mäusen vor, eine Technik mit vielversprechenden klinischen Anwendungen und Nutzen für die Untersuchung der Mechanismen, die der Embryonalentwicklung zugrunde liegen.
Runde Spermatiden, die sich durch ihren haploiden genetischen Gehalt auszeichnen, stellen die Vorläuferzellen der reifen Spermien dar. Durch die innovative Technik der runden Spermatideninjektion (ROSI) können Eizellen erfolgreich befruchtet und zu lebensfähigen Föten entwickelt werden. In einem bahnbrechenden Meilenstein, der 1995 erreicht wurde, wurde der erste Mausfötus durch die ROSI-Technologie geboren. Seitdem hat sich ROSI zu einem zentralen Instrument entwickelt, um die komplizierten Mechanismen der Embryonalentwicklung zu entschlüsseln, und birgt ein erhebliches Potenzial in verschiedenen Anwendungen, einschließlich der Beschleunigung der Mauserzeugung und der Produktion genetisch veränderter Mäuse. Im Jahr 1996 wurde ein Meilenstein erreicht, als der erste menschliche Fötus durch die ROSI-Technologie geboren wurde. Die klinischen Anwendungen dieser Methode zeigen jedoch ein schwankendes Muster von Erfolg und Misserfolg. Bisher hat die ROSI-Technologie in der klinischen Praxis keine breite Anwendung gefunden, vor allem aufgrund ihrer geringen Geburtseffizienz und der unzureichenden Validierung der Sicherheit des Fötus. Dieser Artikel bietet eine umfassende Darstellung der genauen Methoden zur Durchführung von ROSI bei Mäusen, um ein neues Licht auf die Grundlagenforschung und ihre potenziellen klinischen Anwendungen zu werfen.
Das letzte Stadium der Spermatogenese beinhaltet die Umwandlung eines runden Spermatiden in ein voll entwickeltes Spermatozoon, das durch ausgeprägte Kopf-, Hals- und längliche Schwanzstrukturen gekennzeichnetist 1. Diese Transformation umfasst signifikante Veränderungen in der Zellmorphologie, wie z. B. die Kondensation von Chromatin im Zellkern, den Ersatz von Histonen durch Protamin, die Bildung von Akrosomen, die Entwicklung der mitochondrialen Scheide, die Migration und den Verlust von Zentriolen, die Bildung der Schwanzstruktur und die Entfernung von zellulären Resten2.
Im Jahr 1992 wurde der erste menschliche Fötus erfolgreich durch die intrazytoplasmatische Spermieninjektionstechnologie (ICSI) geboren3. Seitdem haben Forscher das Potenzial der Verwendung von runden Spermatiden, die die gleiche haploide genetische Zusammensetzung wie reife Spermien aufweisen, zur Befruchtung von Eizellen und zur Aufrechterhaltung lebensfähiger Schwangerschaftenuntersucht 2,4. Im Jahr 1996 wurde der erste menschliche Fötus geliefert, der mit Hilfe der runden Spermatideninjektion (ROSI) gezeugt wurde 5,6. Es ist erwähnenswert, dass Studien mit ICSI und ROSI an Mäusen hinter denen beim Menschen zurückblieben, da die Eizellmembran der Maus während des Injektionsprozesses anfällig für Schäden war. Dieses Problem wurde mit der Einführung der Piezo-Membranbrechvorrichtung erfolgreich gelöst. So wurde 1995 die erste Maus geboren, die mit der ROSI-Technologie gezeugt wurde. Darüber hinaus ist auch die Erforschung von ROSI bei verschiedenen anderen Tieren im Gange 7,8.
Derzeit konzentriert sich die Forschung zu ROSI hauptsächlich auf die folgenden Aspekte: klinische Anwendung, Aufklärung des Mechanismus und Strategien zur Steigerung der Entwicklungseffizienz sowie breitere Anwendungen der ROSI-Technologie. Im Rahmen der klinischen Anwendungen waren die Fortschritte trotz der Geburt des ersten menschlichen ROSI-Fötus durch ROSI im Jahr 1996 durch eine Reihe von Erfolgen und Misserfolgen gekennzeichnet 9,10,11,12. Bisher hat die ROSI-Technologie keine breite klinische Implementierung erreicht, was vor allem auf ihre geringe Effizienz und die Notwendigkeit einer weiteren Validierung der Sicherheit von Föten, die mit der ROSI-Technologie gezeugt wurden, zurückzuführen ist. Unvollständige Statistiken deuten darauf hin, dass weltweit weniger als 200 mit ROSI gezeugte menschliche Föten zur Welt gebracht wurden. Ein Wendepunkt im Verständnis des Potenzials der ROSI-Technologie erfolgte im Jahr 2015, als Tanaka und Kollegen über die erfolgreiche Geburt von 14 Föten durch die ROSI-Technologie berichteten und damit neues Vertrauen in ihre klinische Anwendung und Machbarkeit weckten13,14. Die ROSI-Technologie ist vielversprechend für die Bewältigung reproduktionsbiologischer Herausforderungen, insbesondere bei Patienten mit nicht-obstruktiver Azoospermie. Zusätzlich zu seinen klinischen Anwendungen dient ROSI als wertvolles Werkzeug zur Untersuchung der komplizierten Mechanismen der Embryonalentwicklung 15,16,17.
Zahlreiche Tierversuche wurden durchgeführt, um die zugrunde liegenden Faktoren zu untersuchen, die zu der geringen Effizienz von ROSI beim Erreichen einer vollständigen Embryonalentwicklung beitragen. Zu diesen Faktoren gehören die Wahl der Methoden der assistierten Eizellaktivierung (AOA) und deren Zeitpunkt, Anomalien in der genomischen Stabilität und insbesondere Anomalien bei epigenetischen Modifikationen. Es ist wichtig zu erkennen, dass runde Spermatiden unreife Keimzellen sind, die sich in verschiedenen physiologischen Aspekten deutlich von reifen Spermien unterscheiden. Mizuki Sakamoto und Kollegen wiesen darauf hin, dass H3K27me3, das aus runden Spermatiden gewonnen wird, mit Chromatin assoziiert ist, das weniger zugänglich ist und zu einer gestörten Genexpression in ROSI-Embryonen führt18. In einer verwandten Studie von Jing Wang und Kollegen waren Reprogrammierungsdefekte in ROSI-Embryonen im Vorkernstadium überwiegend mit der Fehlexpression einer Kohorte der Gene verbunden, die für die Aktivierung des kleinen zygotischen Genoms verantwortlich sind19. Sie fanden auch heraus, dass die Einführung eines selektiven euchromatischen Histon-Lysin-Methyltransferase-2-Hemmers, A366, die Gesamtentwicklungsrate möglicherweise um etwa das Doppelte erhöhen könnte.
Die Maus gilt als eines der wertvollsten Modelltiere für die Erforschung der Embryonalentwicklung. In diesem Artikel wird erläutert, wie ROSI bei Mäusen durchgeführt wird. Dieses umfassende Protokoll umfasst die Auswahl geeigneter Mäuse, detaillierte Verfahren zur Induktion des Eisprungs, AOA-Techniken, Injektionstechniken und die Vorbereitung von Leihmüttern. Darüber hinaus präsentieren wir eine vergleichende Analyse der Auswirkungen von zwei Injektionsschemata auf die Geburtseffizienz: AOA gefolgt von ROSI (A-ROSI; erstes Regime) und ROSI gefolgt von AOA (ROSI-A; zweites Schema). Unser Ziel ist es, Forscher zu ermutigen, ROSI-Experimente an Mäusen präziser durchzuführen und so ihre klinische Anwendung und die Grundlagenforschung zu den Mechanismen der embryonalen Entwicklung robuster zu unterstützen.
Die in diesem Experiment verwendeten Mäuse B6D2F1 (C57BL/6 x DBA/2), C57BL/6 und ICR wurden von Beijing Vital River Laboratory Animal Technologies Co. Ltd. (Peking, China) gekauft. Alle Tierbehandlungen entsprachen den experimentellen Verfahren und Standards, die von der Ethikkommission für Versuchstiere des Ersten Krankenhauses der Universität Jilin (Zulassungsnummer: 20200435) genehmigt wurden.
1. Vorbereitung der relevanten Reagenzien
2. Vorbereitung der Eizellen
3. Präparation von runden Spermatiden und Spermien
4. Runde Spermatiden-Injektion (ROSI)
5. Intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI)
6. Assistierte Eizellaktivierung (AOA)
7. Embryotransfer
8. Statistische Auswertung
Wir begannen unsere Untersuchung mit der Untersuchung der Auswirkungen von AOA auf die Entwicklungsfähigkeit von Embryonen. Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 1A dargestellt. Vor der Spermieninjektion wurden die Eizellen entweder einer AOA (A-ICSI) unterzogen oder blieben unbehandelt (ICSI). Detaillierte Daten zur Embryonalentwicklung sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigten keine signifikanten U...
Assistierte Aktivierung der Eizelle
Eine kritische Voraussetzung für ROSI ist die AOA, da runde Spermatiden allein die Eizellaktivierung nicht initiieren können. Die derzeit etablierteste Methode bei Mäusen ist die Verwendung von Strontiumchlorid23,24, während die am weitesten fortgeschrittene Anwendung beim Menschen die elektrische Aktivierung verwendet13,14
Die Autoren erklären, dass keine finanziellen oder sonstigen Interessenkonflikte bestehen.
Wir danken Wenjie Zhao für ihre unschätzbare Hilfe bei der Sortierung runder Spermatiden durch Durchflusszytometrie und Fang Wang für ihre Expertise im Bereich des Embryotransfers von Mäusen. Diese Arbeit wurde teilweise von der Naturwissenschaftlichen Stiftung der Provinz Jilin (Nr. YDZJ202301ZYTS461). Wir danken Bullet Edits Limited für das sprachliche Lektorat und Korrekturlesen des Manuskripts.
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 |
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