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不戴套的新選擇?分子保險套,直接讓精子「軟腳」的未來男性避孕藥

作者 /  AhThree,還在用科普魂培養硬實力的菸酒生,希望未來能擁有信手捻來科普文的神秘力量。來自生科系,現為STS碩士生。

分子保險套是一種針對精子的避孕方式,利用化學分子阻止精子的獲能作用,達成避孕的效果,並非實際的保險套。人體產生一個胚胎,並非只有受精這個步驟,因此在詳細說明分子保險套的細節之前,讓我們先談談受精作用。

受精才不像受驚一樣簡單快速!

受精作用(fertilization),說簡單可簡單,說複雜卻也是十分複雜。一般人直覺地認為受精就是精卵結合的瞬間,但 促成這美妙瞬間的背後,需要精子和卵子一連串的預備工作,最終才能完成。

受精作用說簡單可簡單,說複雜卻也是十分複雜。source:seeingimonkey

以生物學的角度解析受精的過程,先從成熟且健康的精卵做為起點。男女經過性行為後,精子進入女性生殖道開始義無反顧向前衝。但各位,精子是人體中最小的的細胞啊!!!成熟的精子長度約為 5 微米(μm),姑且不提從陰道到輸卵管的距離,精子在女性生殖道這漫漫長路前進的過程中,還有其他各式各樣的關卡等著精子突破,例如子宮頸處的活性氧化物[1](Reactive oxygen species)會淘汰功能異常和不成熟的精子[1]。總之,精子需要耗費極大的能量才能游到輸卵管,堪稱篳路藍縷、以啟山林。但只要到了輸卵管,一切就都很好辦了嗎?

No~~~~當然不是,成熟的精子,即便到了卵佛爺的面前,沒有萬全的準備,依然無法突破卵佛爺的重重心防阿!女性的卵細胞,除了細胞膜外,還有一層透明帶(zona pellucida)和最外層的放射冠(corona radiata)包覆。透明帶是一層醣蛋白,是精子進入卵的最後一道防線,也藉由免疫避孕(immunocontraception)阻止異種精子進入卵細胞,達成保護作用。放射冠也是一層保護性的醣蛋白,負責提供卵子所需的蛋白質。

貼心小提醒,卵子是人類最大的細胞,一個卵細胞大小約為精細胞的 10,000 倍,忽略形狀不規則的放射冠不提,人類透明帶的平均厚度是 16 微米[2],約為精子頭部的三倍長,精子到底怎麼穿過卵子啊!所以,要讓卵成功受精,背後還有你不知道的秘辛。

事實上,男性產生的成熟精子不具使卵子受精的能力,精子需要經過獲能作用(capacitation)和頂體效應(acrosomal reaction),才能完成與卵佛爺結合的終極任務啦!

精子娃娃。source:vaincomforts

獲能作用(capacitation),即字面上之意,為精子獲得特殊能力的生化反應,但這一切要從女性排卵開始說起。卵巢排卵後,女性體內的黃體素濃度上升,包圍卵子的卵丘細胞(cumulus cell)除了提供卵子養分外,也會分泌黃體素(progesterone)。因此,隨著精子與卵子的距離愈近,輸卵管中的黃體素濃度隨之增加,進而活化精子細胞膜上的 CatSper[2]使精子獲能。在未暴露在黃體素的環境時,CatSper 被膜上另一種分子堵塞。當精細胞周圍出現黃體素,此賀爾蒙會間接使 CatSper 被活化而開啟,導致鈣離子大量流入精細胞。精細胞內鈣離子濃度的上升將使其進入過度活躍(hyperactivation)狀態,此時精子就像喝了蠻牛一樣精力大增,這也是接下來精子即將穿過厚厚透明帶的重要關鍵。此外,獲能作用也讓精子能夠進行頂體效應並能辨識卵子,由此可見獲能作用的重要性。

受精作用到了這個階段,就萬事俱備,只欠東風啦!希望看到這裡的讀者們還沒因為複雜的受精而受驚(汗)。接下來要介紹形成受精卵前的最後一個步驟──「頂體效應」(acrosomal reaction),在了解機制之前得先一窺精子本人的長相。

精子的基本構造分為頭部(head)、中節(mid)以及鞭毛(tail)。頭部的尖端為頂體(acrosome),為高基氏體(Golgi apparatus)特化而成,和精細胞膜相連。頂體內充滿了頂體酶(acrosin),精卵結合時就是靠它分解卵子的透明帶,精子才能使卵受精。所謂頂體效應,就是頂體膜和精細胞膜融合,並釋放頂體酶的過程。因此,無法進行頂體效應的精子,就算撞破頭也無法穿過卵。現在一切都真相大白了!結合以上,受精其實是很複雜的一個過程,因此各式各樣的避孕方法也應運而生。

今晚該用哪一招?避孕招數百百招

使用保險套也是常見的避孕措施之一。source:Hey Paul Studios

避孕方法種類繁多,本篇無法一一詳述原理,那就依照不同需求大略做個簡單的介紹吧!先給各位讀者一點概念,根據美國國家衛生院(NIH),避孕方法分為五大類[3]:

  1. 長效可逆避孕法(long-acting reversible contraception, LACT)
  2. 賀爾蒙避孕法(hormonal method)
  3. 屏障避孕法(barrier method)
  4. 緊急避孕(emergency contraception)
  5. 絕育(sterilization)

其實大致上就是依照作用時間和原理去區分,各種避孕方式也是依此歸類。這時候重點來了,什麼狀況下要採用什麼避孕方法呢?

狀況一:情人節和愛人激情之下才發現上次保險套用完了,該怎麼辦?

相信大家都知道事後避孕丸(emergency contracepive pills, ECPs)這種賀爾蒙藥物,除此之外可以考慮銅型避孕器[3](Copper T intrauterine device),能阻擋精子前進,且即便卵子受精,此裝置作為物理性的阻隔,能避免受精卵著床。

狀況二:好討厭戴套的感覺,想無憂無慮的享受性愛,但又擔心用賀爾蒙會影響未來受孕,該怎麼辦?

首先,可以考慮最天然無害的安全期避孕法,不過女性必須有正常的月經週期,計算排卵時間才能精準。另外,真的不希望用賀爾蒙的話,銅型避孕器也是很好的選擇。不過重點來了,其實現在有採取賀爾蒙的避孕方法中蠻多都是可逆的,例如賀爾蒙型子宮內避孕器、桿狀植入物(implant)、避孕貼片(patch)等,也就是說就算用賀爾蒙達到避孕的目的,只要停止使用後都可以恢復受孕能力。

分子保險套,未來的男性避孕藥

研究人員發現雷公藤(Tripterygium wilfordii)中的 pristimerin 和芒果及蒲公英根部中的 lupeol,可阻斷受精過程、讓精子「軟腳」,為發展避孕藥物的潛力股。這兩種植物的天然類三萜化合物[4]能避免精子的獲能作用,進而使精細胞無法進入過度活躍(hyperactivation)狀態[5]。

研究人員利用四位男性健康捐贈者自己動手(masturbation)取得的新鮮精液純化出精細胞,再以膜片箝制(Patch clamp)技術測定精細胞的跨膜電流。CatSper 為離子通道,有離子通過時會產生跨膜電流,藉由測定跨膜電流可觀察 CatSper 的開關。實驗採用黃體素(正常生理濃度)和兩種在植物特有的類三萜化合物 pristimerin 和lupeol,觀察 CatSper 被活化的情形,並利用電腦輔助精液分析儀(Computer Assisted Semen Analysis,CASA)測定 VCL[6]和觀察精子活動力(motility)作為判斷的指標。

實驗結果顯示,不論是黃體素、pristimerin 或是 lupeol,皆不會影響未獲能的精細胞,也就是未獲能精細胞的VCL 值沒有改變。獲能後的精子單獨暴露在 pristimerin 或 lupeol 的環境下也不受影響,但任一類三萜化合物和黃體素一起施用,卻能降低 VCL 值。相較於單獨使用黃體素的 VCL 值,黃體素+ pristimerin 和黃體素+ lupeol 的 VCL 值分別降低了39% 和48%,可粗略解釋為此兩種類三萜化合物在有黃體素的環境下降低了精子的前進速度。

精子活動力的分析中也發現類似的結果,研究人員分析精液樣本中有活動力的精子數量,發現不論精子獲能與否,皆不受單一化合物的作用影響,但在任一種類三萜化合物和黃體素一起使用的狀況下,獲能且具活動力的精子數降低19%,而未獲能且具活動力的精子數量則沒有太大改變。

從以上結果可知,此二種類三萜化合物能干擾黃體素所引導的精子獲能作用,並能小幅降低獲能的精細胞活動力。更值得一提的是,類三萜化合物並不影響未獲能的精子活動力,顯示其不會損害一般的精細胞。

人類精子。圖/ By Hlj55567516 @ wikimedia commons

分子保險套的優勢與未來研究方向

實驗結果揭示了 pristimerin 和 lupeol 發展為避孕藥物的潛力[5]。首先,類三萜化合物對精細胞無損害,僅透過改變關鍵時刻精子的活動力達到避孕效果,讓精子即使碰到卵子也束手無策。因此,類三萜化合物可作為天然物質的分子保險套,也可發展為緊急避孕措施。另外,此二種類三萜化合物的有效作用劑量極低,且不像傳統賀爾蒙類藥物會產生副作用,大幅降地使用賀爾蒙類藥物的健康風險,可發展為長期避孕措施,或應用於避孕貼片及避孕環上。

不過先別高興得太早,這兩種物質阻斷受精的特性才剛被發現,而且實驗中精子和類三萜化合物直接反應,並未進行任何的活體試驗。藥物分子經過活體新陳代謝,最終是否能到目標部位並發揮藥效,以及最適合的劑量等都還有待研究。目前為止,所有發展潛力的分析和評估都只是紙上談兵,要成為真正上市的避孕藥物,還有一段很長的路要走。下一步,研究人員準備以跟人類精子活動類似的靈長類動物作為實驗對象,來觀察這兩種物質在體內的效果。此外,這兩種類三萜化合物的萃取十分昂貴,尋找更易取得的植物來源也是未來研究進行的方向。

參考文獻:

註解:

  1. 主要由白血球分泌,但精子本身也會分泌。
  2. CatSper(Cation channel of sperm proteins),為精子獨有的電壓敏感鈣離子通道,主要位於精子尾部。
  3. 子宮內避孕器(Intra-uterine device, IUD)的一種,又稱節育環、子宮環,為植入子宮的T字型微小裝置。子宮內避孕器分為賀爾蒙型避孕器和銅型避孕器。
  4. 類三萜化合物(triterpenoid),指由三個「萜類化合物」組成的化合物,例如龍涎香醇等。
  5. 所謂的過度活躍,指精細胞內鈣離子濃度上升,使精子的鞭毛進行不對稱擺動而產生一股強勁的推力,是精子穿越卵子透明帶的關鍵。若無法達到過度活躍狀態,即使精子接觸到卵也無法進行頂體效應,故抑制獲能作用可避免卵子受精。
  6. VCL(curvilinear velocity)為精子沿著路徑方向前進的曲線速度,通常獲能後的精子傾向比未獲能的精子有較高的 VCL 值。

關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia