受精過程與早期胚胎發育

讓我們繼續從精子談到卵子,從雌雄兩性配子結合來看新生命的產生。

(可參考:淺談從男性生殖內分泌系統到受精過程淺談女性生殖內分泌系統-荷爾蒙的控制,卵子生成與濾泡發育兩篇文章)

受精(Fertilization)

我們分成精子與卵子兩大部分來看,兩者常會在輸卵管壺腹部(Fallopian tube ampulla相遇。

精子部分

  1. 副睪成熟:使精子具有活動力。
  2. 使活動化(Capacitation): 當精子穿過子宮頸黏液時會把精子表面的附著的物質剝掉,使精子新陳代謝增加,保持活潑,細胞膜的磷脂質與膽固醇成分改變。
  3. 活化(Hyperactivation):從靜止不動到活潑運動的狀態,因使活動化將精子細胞膜外移除,精子尾部的受體因暴露活化了G protein與蛋白激酶protein kinase,活化鈣離子通道,鈣離子流入細胞內刺激一系列反應,使精子尾部更有利,呈抽鞭式,頭部則依循著八字形前進。
  4. 頂體反應(Acrosome Reaction):頂體內含有多種強力水解酶,可以幫助精子穿過卵丘基質,反應發生時精子頭部外頂體和細胞膜發生多點癒合,釋放出頂體酶,與卵上透明帶上的ZP3結合引發頂體反應。
  5. 精卵結合:穿過透明帶後,精子頭部首先與卵細胞膜結合,接著整個精子融合,進入卵細胞質內。

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圖一圖二 精子受精過程 圖片來源:http://csls-text.c.u-tokyo.ac.jp/active/12_07.html

卵子部分

  1. 卵子活化(Egg activation:穿過透明帶後,精子頭部首先與卵細胞膜結合,接著整個精子融合,進入卵細胞質內,精卵結合後卵子便開始活化完成第二次減數分裂,形成卵子原核(egg pronucleus,精子的核也去凝縮(decondense形成精子原核(sperm pronucleus,精卵融合數小時後,細胞骨架會將兩個原核拉近,原核外膜崩解,染色體混合在一起進行第一次有絲分裂,形成接合生殖體(Syngamy)。
  2. 皮質反應(Corticol Reaction):皮質顆粒中含有硫化多醣,過氧化酶等,當精卵結合後,會開始向外排出,散布到整個表面,阻止其他精子進入卵子

精卵結合過程.png

圖三 精卵結合過程 圖片來源:http://csls-text.c.u-tokyo.ac.jp/active/12_07.html

 早期胚胎發育(Development of The Embryo

受孕發生在輸卵管中,早期胚胎發育為細胞分裂期(Cleavage Division),受精卵通過輸卵管到達子宮腔會不斷重複分裂成一個細胞球體,當卵子受精後地一次分裂時間需要24小時才能形成雙細胞胚胎,之後分裂的周期就會變短大約18小時左右

這個階段細胞會持續分裂,數目增加,但大小並未增加,會歷經合子,雙細胞期,一直到囊胚期(Blastocyst)整個胚胎大小才會增加

細胞分裂期後會進入桑椹胚期(Morula),(在八細胞或是十六細胞時進入)大約是受精後三到五天,這時候胚與胚細胞緊密接合,繼續分裂之後,會把鹽類與水分打入細胞間隙形成空腔,進入囊胚層(Blastocyst)。

囊胚繼續分裂會分成兩部分:內細胞群(Inner cell mass未來會發育成胎兒的部分與外部的滋養外胚層(Trophectoderm,將來形成絨毛膜部分

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圖四 早期胚胎發育 圖片來源:https://www.weforum.org/agenda/2015/03/why-egg-freezing-is-not-the-answer/

這些也會與後續討論不孕或是不孕的人工生殖技術息息相關唷!

Reference:

  1. Obstetrics and Gynecology at a Glance
  2. The Developing Human
  3. An Introduction to Male Reproductive Medicine Edited by CRAIG NIEDERBERGER
  4. Campbell-Walsh Urology, 11th ed.-Male Infertility
  5. 臨床泌尿學 台灣泌尿科醫學會出版
  6. 不孕症及生殖內分泌學 生殖醫學會出版
  7. 圖解婦科學 合記圖書出版
  8. 圖解產科學 合記圖書出版

 

 

 

淺談從男性生殖內分泌系統到受精過程

在討論男性不孕之前,我們先來簡單了解男性生殖內分泌到受精的過程,主要會分成三個階段作討論:

  1. 男性生殖內分泌與精子: 包括荷爾蒙的控制(Hormonal Control),精原細胞的形成(Spermatogonium)與精子生成和成熟(Spermatogenesis)

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圖一 圖片來源:LIFE: The Science of Biology, Eight Edition

男性生殖系統不只有睪丸與附屬器官還包含腦(參考圖一),在腦中,掌管性慾與生殖分泌是的是下視丘(Hypothalamus),由下視丘的漏斗核(Infundibular nuclei)製造促性腺激素釋放激素(GnRH)並且經門脈血管(Portal blood vessel)送到腦下垂體前葉(Anterior Pituitary),腦下垂體前葉會分泌促黃體素(Luteinizing Hormone, LH)與促濾泡激素(Follicle-Stimulating Hormone, FSH)經由血液到睪丸(testis)去作用。

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圖二 圖片來源:Histology Guide © Faculty of Biological Sciences, University of Leeds http://www.histology.leeds.ac.uk/male/sertoli_cells.php

睪丸(參考圖二)當中含有曲精小管(Seminiferous tubule),管内的塞特利氏細胞(sertoli cell)生殖細胞(Germ cell)有保護與支持的作用,主要由促濾泡激素刺激,提供養分幫助精子的形成,且這些細胞形成血睪屏障(blood-testis barrier),防止一些毒物或藥物的入侵;外則有睪丸間質細胞(Leydig cell),主要由促黃體素刺激,分泌睪固酮(Testosterone)促進性器官與性腺的成熟。

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圖三 圖片來源:Art. Encyclopœdia Britannia Online

青春期開始精原細胞(Spermatogonium)會開始進行有絲分裂(Mitotic division)減數分裂(Meiotic division)形成精細胞(Spermatid)(參考圖三),精細胞會在型態與生化上慢慢分化,尾部去除大部分的細胞質,且細胞核濃縮,形成精子細胞(Sperm); 精子含有三個部分:頭部(Head)含有細胞核及少量的細胞質,可減輕重量使精子有更大的運動能力,前有穿孔體(Acrosome)含多種酵素幫助精子穿入卵子內,中節(Midpiece)包含線狀體提供精子運動的能量,尾部(Tail)尾的中心含一條貫穿全尾的軸絲(類似鞭毛),推動精子活動(參考圖四)。

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圖四 圖片來源:https://www.austincc.edu/apreview/PhysText/Reproductive.html

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圖五 圖片來源:https://www.studyblue.com/notes/note/n/male-reproductive-system/deck/4878686

精子(參考圖二,圖五,圖六)會慢慢往曲精小管的管腔內部移動,輸出路線會由曲精小管至直精管(Straight tubule)睪丸網(Rete testis),再到輸出管(Efferent duct),至副睪 (Epididymis)進一步成熟後,再藉由輸精管(Vas deferens)進入骨盆腔,走到膀胱後,和儲精囊(Seminal vesicle)共同會合成射精管(Ejaculatory duct)斜插進入前列腺(Prostate)。精子生成到成熟總共需要74天左右,會在副睪待上10-12天使其更進一步成熟。

 

圖六 圖七 圖片來源:NATURE REVIEWS UROLOGY

2. 精液(Semen)與射精(Ejaculation)的機制

精液包含精子細胞與附屬器官分泌的液體(參考圖六與圖七),包含儲精囊(Seminal vesicle)液,佔精液體積中的65-70%,分泌的纖維蛋白原使精液凝結,讓其保存時間增加,含有果糖以供應精子所需之能量,前列腺素使子宮收縮,幫助精子在女性生殖道內移動,前列腺(Prostate)液,佔20-25%,屬於弱鹼(pH= 7.29)的液體,能夠中和女性陰道酸性環境,改善精子活動,含有溶纖維酶(Fibrinolysin),使凝集的精液液化(liquefy the semen),尿道球腺 (Bulbourethral gland)液,則佔1-5%能幫助尿道潤滑。

性刺激可以分為精神性或反射性刺激,精神性刺激是感覺思維想像對大腦造成的影響,可透過胸腰椎(T12~L3)由交感神經傳出;也可透過薦椎(S2~S4)由副交感神經傳出,支配勃起組織;反射性刺激則是透過對生殖器的外感受器刺激,通過陰部神經(Pudendal nerve)傳入,經薦部(S2~S4)副交感神經傳出,使陰莖海綿體的動脈擴張,大量充血引起勃起。

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圖八 圖片來源:NATURE REVIEWS UROLOGY

3. 精子在受精(Fertilization)過程中的變化

當精子經過子宮頸黏液時(參考圖九)會進行使活動化(Capacitation),鈣離子進入細胞膜,產生強力鞭毛擺動,且會去掉細胞膜上的膽固醇外膜,接著活化(Hyperactivation)八字運動的前進,精子上的透明層蛋白質接受器(ZP3 receptor)與透明帶上的蛋白(ZP3)觸碰後會誘發頂體反應(Acrosome Reaction),幫助精子穿過卵丘透明層。

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圖九 圖片來源:The Developing Human

可見生殖內分泌系統到受精過程,是相當精細且複雜的,只要上述過程中出了問題,都有可能造成男性不孕的可能唷!

補充一些有趣的小知識

  • 精子第一次被描述出來是在1677年由一個對於伽利略顯微鏡著迷的荷蘭亞麻織品商人Anton van Leeuwenhoek 安東尼‧菲利普斯·范‧雷文霍克,藉由觀察自己的精液發現了精細胞並且藉著觀察兩棲類、軟體動物、鳥類、魚類與哺乳動物的精細胞,獲得受精就是在精細胞穿進卵中而發生的結論,提交375份科學論文成為倫敦皇家學會會員( Royal Society of London)。
  • 男人不斷生產精子,每克睾丸每秒產生300至600精子(Men produce sperm continually.
    Between 300 and 600 sperm per gram of testis are produced every second.)
  • 每天約有3億隻精子成熟(About 300 million sperm mature every day.)
  • 精子以28英里/小時射精(Sperm is ejaculated at 28 miles/h)但少於1%到達卵(Fewer than 1%of ejaculated sperm reach the eggs)

Reference:

  1. An Introduction to Male Reproductive Medicine Edited by CRAIG NIEDERBERGER
  2. Campbell-Walsh Urology, 11th ed.-Male Infertility
  3. 臨床泌尿學 台灣泌尿科醫學會出版
  4. 不孕症及生殖內分泌學 生殖醫學會出版