Spermatogonial stamcell
En spermatogonial stamcell ( SSC ), även känd som en typ A spermatogonium , är en spermatogonium som inte differentierar till en spermatocyt , en prekursor för spermaceller . Istället fortsätter de att dela sig i andra spermatogonier eller förblir vilande för att behålla en reserv av spermatogoni. Typ B spermatogoni, å andra sidan, differentierar till spermatocyter, som i sin tur genomgår meios för att så småningom bilda mogna spermier.
Spermatogoniella stamceller i testiklarna
Under fosterutvecklingen utvecklas gonocyter från primordiala könsceller och efter detta utvecklas SSC från gonocyter i testiklarna. SSC: er är den tidiga prekursorn för spermier och är ansvariga för fortsättningen av spermatogenes hos vuxna däggdjur. Stamcellerna kan delas upp i fler SSCs, vilket är avgörande för att upprätthålla stamcellspoolen. Alternativt fortsätter de att differentiera till spermatocyter , spermatider och slutligen spermatozoer.
En SSC är prekursorn för flera spermier och därför är SSC:er mycket färre i testiklarna än celler som genomgår spermatogenes.
Nomenklatur
I människor
Odifferentierad spermatogoni kan delas upp i 2 grupper; A Dark (A d ) och A Pale (A p )
A d spermatogonia är reservstamceller. Dessa celler kan dela sig för att producera fler SSC:er men gör det vanligtvis inte. A p spermatogoni delar sig aktivt för att upprätthålla stamcellspoolen. B1-B4 spermatogoni omfattar den differentierande spermatogonien och anses inte längre vara stamceller.
Mest forskning om SSC:er har utförts på gnagare. Undertyperna av spermatogoni skiljer sig mellan möss och människor.
Hos möss
En singel (A s ) spermatogoni kan skapa 2 separata dotter SSC:er när de delar sig eller så kan dottercellerna gå med och bilda en parad (A pr ) spermatogoni.
Både A s och A pr spermatogoni är odifferentierade. Kedjor av dessa celler bildas och kallas A Aligned (A al ). A al spermatogonia differentierar och klassas därför inte längre som stamceller. De delar sig 6 gånger och bildar så småningom spermatogoni av typ B.
SSC nisch
De viktigaste somatiska cellerna som stöder reglering av SSC är Sertoli-celler. Olika andra somatiska celler i den interstitiella vävnaden stöder Sertoli-celler såsom Leydig-celler och peritubulära myoidceller, vilket därför indirekt påverkar SSCs och platsen för deras nisch.
Spermatogonia-stamceller hos däggdjur finns mellan basalmembranet i seminiferous tubuli och Sertoli-cellerna . De förblir här fram till meiosens meiotiska profasstadium . Här passerar spermatocyterna genom basalmembranet via sertolicellbarriären.
SSC:er håller sig inom sin nisch där de uppmuntras att förnya sig själv. När de rör sig förbi basalmembranet differentierar de sig på grund av cellsignaler.
Parakrin reglering av SSC självförnyelse
Självförnyelse av spermatogoniella stamceller (SSC) regleras av lokala signaler. Cirka 50% av SSC-populationen genomgår självförnyelse för att upprätthålla stamcellsantalet, och de andra 50% blir engagerade stamceller som kommer att differentiera till spermier under spermatogenesen. Celler som finns i testiklarna uttrycker molekyler som spelar nyckelroller i regleringen av SSC-självförnyelse. Hos möss har Sertoli-celler visat sig utsöndra Glial cellinjehärledd neurotrofisk faktor (GDNF) som har en stimulerande effekt på självförnyelse av stamceller. Denna faktor tros uttryckas i peritubulära celler i mänskliga testiklar. Fibroblasttillväxtfaktor (FGF2) är en annan molekyl som är avgörande för regleringen av stamcellsförnyelse och uttrycks i Sertoli-celler, Leydig-celler och könsceller. FGF2-signalering interagerar med GDNF för att öka spridningshastigheten. Chemokine (CXC motiv) ligand 12 (CXCL12) som signalerar via sin receptor CXC kemokin receptor typ 4 (CXCR4) är också involverad i regleringen av SSCs ödesbeslut. CXCL12 finns i Sertoli-celler i basalmembranet i seminiferösa tubuli i vuxna mustestiklar och dess receptor uttrycks i odifferentierade spermatogoniella celler.
GDNF och FGF2 krävs båda för att aktivera fosfoinositid 3-kinas (PI3K)-Akt-vägen och den mitogenaktiverade proteinkinas/ERK1-kinas1 (MEK)-vägen, som potentierar SSC-proliferation och överlevnad. CXCL12, FGF2 och GDNF kommunicerar alla via ett nätverk för att förmedla SSC-funktioner.
Differentiering
Spermatogoniella stamceller är prekursorerna till spermier , som produceras genom en serie differentieringssteg. Detta är det alternativa SSC-resultatet till självförnyelse. SSC: er överlever inom mikromiljöer, kallade nischer, som ger yttre stimuli som driver stamcellsdifferentiering eller självförnyelse. SSC-nisch finns i seminiferous epitel av däggdjurstestiklar och består huvudsakligen av Sertoli och peritubulära myoidceller.
Det finns två primära differentieringsstadier, varav det första involverar omvandlingen av A s (enkel) spermatogoni till dotteravkomma A pr (parad) spermatogoni, som är förutbestämda att differentiera. Dessa kan dela sig ytterligare för att skapa A al (A-justerad) spermatogoni.
Det andra steget innefattar produktionen av differentiering av A1-spermatogonia från A pr eller A al spermatogonia. Dessa A1-spermatogonier genomgår ytterligare fem uppdelningar för att producera A2, A3, A4, mellanliggande och typ B-spermatogoni, som kan gå in i meios I.
Det tar cirka 64 dagar att producera mogna spermier från differentierande SSC, och 100 miljoner spermier kan produceras varje dag.
En av de viktigaste kända substanserna som driver differentieringen av SSC, och därmed produktionen av spermier , är retinsyra ( RA). Det finns teorier som stöder hypoteserna om både en indirekt (via Sertoli-celler ) eller en direkt väg.
Man tror att Sertoli-celler producerar RA genom omvandling av cirkulerande retinol till retinal och sedan slutligen till RA. Exponering för RA driver cellulär differentiering till A1-spermatogoni och är inblandad i ytterligare meiotisk differentiering. Som ett resultat av differentiering uttrycks inte längre generna som krävs för att upprätthålla ett SSC-tillstånd.
Manlig reproduktionsfunktion avtar med stigande ålder, vilket indikeras av minskad spermiekvalitet och fertilitet . När råttor åldras genomgår odifferentierade spermatogoniella celler många förändringar i genuttryck. Dessa förändringar inkluderar uppreglering av flera gener involverade i DNA-skadesvaret . Detta fynd tyder på att det under åldrandet sker en ökning av DNA-skada som leder till en uppreglering av DNA-skaderesponsproteiner för att hjälpa till att reparera dessa skador. Således verkar det som om reproduktivt åldrande har sitt ursprung i odifferentierade spermatogena celler.
Isolering och kultur
SSCs har potential att bli allt mer kliniskt relevanta vid behandling av sterilitet ( in vitro spermatogenes ) och bevarande av fertilitet före gonadotoxiska behandlingar. För detta ändamål måste SSC: er isoleras på ett tillförlitligt sätt från testikelbiopsier för t.ex. expansion och rening. Nuvarande protokoll inkluderar magnetisk aktiverad cellsortering (MACS) och fluorescensaktiverad cellsortering (FACS) baserad på positiva SSC cellulära markörer som CD90 och FGFR3 i kombination med negativa markörer som CD45. De senare är särskilt viktiga för att utesluta maligna celler från cancerpatienters biopsier.
När de väl isolerats odlas SSC-populationer för amplifiering, karakterisering, linjeupprätthållande och potentiellt in vitro spermatogenes eller genomisk redigering. De största utmaningarna för SSC-odling är interaktionen mellan mediasubstanser och den epigenetiska sammansättningen som ligger till grund för pluripotens och kan påverka framtida avkommor. Kortvarig in vitro- förökning av dessa celler har utförts i Stem-Pro 34-media kompletterat med tillväxtfaktorer. Långtidsodling av humana SSC: er är inte etablerad ännu, men en grupp rapporterar framgångsrik spridning i matarcellfria medier försedda med tillväxtfaktorer och hydrogel.
Transplantation
Den första framgångsrika SSC-transplantationen beskrevs i möss 1994, varvid proceduren återställde spermatogenesen helt i en annars infertil mus. Dessa möss kunde sedan producera livskraftiga avkommor som öppnade nya spännande dörrar för framtida potentiella terapier hos människor.
Eftersom cancerbehandlingar inte är cancercellsspecifika och ofta är gonadotoxiska (toxiska för äggstockarna och testiklarna) möter barn vanligtvis infertilitet som en konsekvens av behandlingen eftersom det inte finns något etablerat sätt att bevara sin fertilitet ännu, särskilt hos pojkar före puberteten. Infertilitet efter cancerbehandling beror på typ och dosering av behandling men kan variera från 17 % till 82 % av patienterna. Spermatogonial stamcellsterapi (SSCT) har föreslagits som en potentiell metod för att återställa fertiliteten hos sådana canceröverlevande som önskar få barn senare i livet. Metoden har testats i ett flertal djurmodeller inklusive icke-mänskliga primater; Hermann et al . tog ut och isolerade SSC från prepubertala och vuxna rhesusmakaker innan de behandlades med busulfan (ett alkyleringsmedel som används i kemoterapi). SSCs injicerades sedan tillbaka i rete testiklarna på samma djur som de togs från ~10–12 veckor efter behandling; och spermatogenes observerades hos nästan alla mottagare (16/17). Dessa SSC: er var dock svåra att upptäcka varför ytterligare analys av förmågan hos avkomma spermier att befrukta inte kunde fastställas. Viabiliteten hos embryon som befruktats av donatorspermier efter SSC-transplantation måste utvärderas för att verkligen bestämma användbarheten av denna teknik.
Nyligen har SSC-transplantation också föreslagits som en potentiell metod för bevarande av hotade arter genom xenogen transplantation . Roe et al. föreslog att den reproduktiva livslängden för sådana arter skulle kunna förlängas genom att transplantera deras könsceller till en inhemsk värd. I sin studie använde de vakteln som en modell för en exotisk art och transplanterade SSCs till kycklingembryon som framgångsrikt koloniserade värdembryots gonadalrygg. Detta möjliggör isolering av mogna spermier senare i utvecklingen från värden även efter att donatorn har avlidit, vilket kan användas i framtida befruktning och potentiellt mer framgångsrik konservering.