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冷鏈成本太高?遞送小鼠「冷凍精子」的最佳解出爐:現在寄張明信片就搞定!

Carol
・2021/09/05 ・4645字 ・閱讀時間約 9 分鐘

在古代有飛鴿傳書,在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式,現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現,經冷凍乾燥處理的小鼠精子,可於沒有液態氮的環境中妥善保存,並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

放置於普通郵件小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

傳統保存方式:充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式,是將精子保存於液態氮或乾冰中,極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後,會再透過人工授精或是試管外(in vitro)授精來繁衍後代[2][3] 。然而,使用液態氮仍可能會產生一些問題,例如,在 196℃ 超低溫度下,進行樣本處理需要非常小心,因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題,並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外,為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境,需不斷地補充液態氮,這也會造成昂貴的花費。因此,對於部分國家的研究機構來說,這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說,若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響,小鼠精子解融、退冰,並導致精子無法使用。

液態氮,可以創造極低溫的環境,操作過程需小心。圖/ThoughtCo.

玻璃安瓿保存法很讚,但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題,日本山梨大學(University of Yamanashi)生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術,將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿(Ampoules,一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。)並置於 4℃ 的環境中三個月,然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理,可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡,無法移動,但精子中的 DNA 仍然維持完整性[4]

爾後,再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時,一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種,例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種[5]。然而,使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說:「雖然玻璃安瓿的體積小,但它們相當笨重且易碎,容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此,我們希望發展新的保存技術。」

圖為玻璃安瓿(Ampoules),為種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。圖/ISDIN

紙類保存凍乾精子有搞頭,但哪種材質最適合?

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子(mouse FD spermatozoa)的材料,研究團隊檢測了六種材質,分別是:日式傳統和紙(Washi)、包裝紙(Wrap)、乙烯基板(Vinyl sheet)、秤量紙(Weighing paper)、過濾紙(Filter paper)、日式糖果紙(Oblate)。

首先,過濾紙(Filter paper)是不可以使用的,因為小鼠精子容易卡在紙上,並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙(Oblate)也被認為無法作為保存材料,原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中,就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而,實際試驗後才發現,日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物,導致難以收集小鼠精子。此外,其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子,但仍有一些小缺點,例如:包裝紙太容易撕破,乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說,日式傳統和紙是個較好的材料,但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染,使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄,但比包裝紙還要硬,是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此,在此六種材料中,秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現,無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料(傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙)的冷凍乾燥小鼠精子,其精子受精率(fertilization rates)沒有顯著差異。然而,在胚胎的發展成桑葚胚(morulae)或囊胚(blastocyst)的比率,最高的是以秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率,是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標,而在四種材料中,使用秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%,後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度,以及材料操作容易程度,最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子,並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

上圖 A 為玻璃安瓿及用四種不同材質的紙保存的冷凍乾燥精子。下圖 D 為細胞質內精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
 圖 G,小鼠精子的受精率,玻璃安瓿及使用四種材料包裝小鼠精子的售經比率相差不大。
圖 H,受精卵發育成桑葚胚(Morula)或囊胚(Blastocyst)的比率[註1]。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎?

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA,研究團隊藉由彗星分析法(comet assay),來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度,若 DNA 有損害,其結構會較為鬆散,斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳(gel)時被拖出細胞,在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異,至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知,保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA,其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些,不過,就統計結果而言,兩者之間有顯著差異。

但另方面,在小鼠精子進行細胞質內精子注射(ICSI)之後,藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核(male pronucleus)中 DNA 損壞程度,結果卻發現,相較於保存在塑膠片的小鼠精子,保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後,其雄原核[註2]有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述,保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度,與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度,是可以相比擬的。

圖 J 為保存於玻璃安瓿小鼠精子 DNA,圖 K 為保存於塑膠片的小鼠精子 DNA。可發現圖 J 的DNA 其彗星尾較短。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
圖 M 為保存於玻璃安瓿小鼠精子,其雄原核有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子?

小鼠精子經過預先培養之後,會秤量紙作為載體,將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽,依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙,然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒,最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來,將冷凍的精子溶液乾燥,乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後,將冷凍乾燥後的小鼠精子取出,並用兩張秤量紙包裝,最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時,再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口,並用鑷子取出小鼠精子,最後再用水回溶精子。

小鼠精子的冷凍階段,依序各種材料放入保麗龍盒中,最後再加入液態氮,將小鼠精子懸浮液冷凍 10 分鐘。
(①Pipet chip,定量吸管,用來吸取小鼠精子溶液。②Sperm suspension,小鼠精子的懸浮液。③Material,用來作為小鼠精子溶液載體的各種材質,此處為秤量紙。④Plastic sheet,塑膠片。⑤Aluminum boat,鋁箔紙船)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
冷凍小鼠精子的乾燥、密封及使用階段。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

凍乾的小鼠精子,可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境,冷凍乾燥(freeze-dried,FD)的小鼠精子保存在室溫環境下三天,其後代存活率較差,但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中,並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天,可直接利用普通郵件的方式寄送,不需額外的保護措施。而收到郵件後,只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式,將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學,兩校之間的距離約為 200 km,並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此,冷凍乾燥的小鼠精子,是可在沒有其他保護措施之下,在室溫下藉由明信片寄送。

將數千個小鼠品系的精子片保存於一個卡片夾,進而可以製作成一本“精子書”。這種方法很容易運輸及處理,並且可以降低了保存失敗的風險、成本以及空間要求。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
上圖為新年賀卡,賀卡上還夾帶冷凍乾燥後的小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說:「遺傳資源對於人類未來而言,是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存,但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存,有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式,可以方便保存數千種的小鼠品系(strain),除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來,更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而,使用如此方便及簡易的運送方式可能會造成許多不合法的運輸過程發生,因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

 科技技術的發達,使得小鼠精子可藉由郵件寄送的方式從 A 實驗室寄送至 B 實驗室。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

註解

  1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞,約 48 小時分裂成 4 細胞,約 72 小時分裂成 6~8 細胞,並在約 96 小時分裂成桑葚胚(Morula);之後才會形成囊胚(Blastocyst)。
  2. 雄原核,指的是在受精之後,精核進入卵子內,但尚未於雌原核(female pronucleus)融合。

參考資料

  1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
  2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology78(8), 1682-1699.
  3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology82, 57-63.
  4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences114(23), 5988-5993.
  5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction142(4), 529.

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Carol
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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。