人类精子形态学评估 理想形态, 异常精子描述和生物识别（可编辑）

人类精子形态学评估 理想形态, 异常精子描述和生物识别（可编辑） 158 国际生殖健康 生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 2010 熏 Vol 29熏 No 3 观点 类精子形态学评估理想形态异常精子描述和生物识别 Auger J 摘 要 用于评估理想形态的精子比例的严格方法第5 版《世界卫生组织人类精 分析实验室 技术手册》简称手册推荐这基于理想精子形态与生育力之间相关的统计学研究以及目前一致认为 精子形态的评估应该是研究生育力的主要手段即使在可育男性的精子中理想形态精子所占比例也很 低但是理想精子形态的概念一直存在这是一个备受争议的话题 在很长一段时间里认为对各种异 常精子进行详细分类是可选择的甚至是多余的该观点也反映在较早版本的世界卫生组织WHO 手册 中然而一些最近的研究表明仔细评估异常精子形态对不孕症诊断生育能力预测以及基础或公共健 康研究有重要意义一种将视频显微扫描技术和计算机视觉结合起来并且是唯一能够评估精子生物统 计学连续性的方法已成功应用于最近的几个临床基础和毒理学研究中详细的精子形态的视觉评估 包括对异常精子分类得出的畸形精子指数和更加现代的以计算机为基础的方法实际上是相辅相成的 虽然往往认为是多余的要依据研究的领域临床基础毒理学和需要解决的问题选取最适当的方法 简要地讨论每种方法的优势以及某些限制 关键词 诊断生育力预测图像分析多种异常指数模式识别 生殖毒性精子缺失精子畸形指 数精子病理学畸形精子指数视频显微扫描技术 Assessing Human Sperm Morphology Top Models Underdogs or Biometrics A uger J Serv ice d H istologie Embryologie Biologie de la R ep roduction CECOS H 抵p ital Cochin Paris 75014 France Corresp onding author A ngers E鄄mail j acq uesaugercchap hp fr Abstract The assessment of the percentage of spermatozoa having an ideal morphology using so鄄 called strict method is the method recommended in the latest edition of the World Health Organization WHO laboratory manual for semen analysis This recommendation is a result of the statistical association between ideal sperm morphology and fertility and of the current general belief that sperm morphology assessment should be used primarily as a fertility tool The notion of an ideal sperm morphology has persisted despite the very low percentage of such spermatozoa in the semen of fertile men a subject of intense controversy The detailed categorization of each abnormal spermatozoon has thus for a long time been considered optional and partially redundant an idea which is reflected in the earlier editions of the WHO manual However several recent studies have shown the importance of carefully assessing abnormal sperm morphology for use in the diagnosis of infertility to determine fertility prognosis and for basic or public health studies One approach which combines videomicroscopy and computer vision and is the only approach able to assess the continuum of sperm biometrics has been used successfully in several recent clinical basic and toxicology studies In summary the visual assessment of detailed sperm morphology鄄including the categorization of anomalies allowing arithmetically derived indices of teratozoospermia鄄and the more modern computer鄄based approaches although often considered to be redundant are in fact complementary The choice of the most appropriate method depends on the field of investigation clinical research toxicology and the problem being addressed Each approach has advantages as well as certain limitations which will be discussed briefly herein Key words Diagnosis Fertility prognosis Image analysis Multiple anomalies index Pattern recognition Reproductive toxicology Sperm defects Sperm deformity index Sperm pathology Terato鄄 zoospermic index Videomicroscopy 渊 允 陨灶贼 砸藻责 则燥凿 匀藻葬造贼澡蛐云葬皂 孕造葬灶 袁2010 29 158-166 冤 言 作者单位Service d Histologie鄄Embryologie Biologie de la Re鄄 哺乳动物的精子是高度分化的细胞其特殊的 productionCECOS H抵pital Cochin Paris 75014France 组织结构是精子发生过程中复杂的形态变化造成 通讯作者 Auger J E鄄mail jacquesaugercchaphpfr A sian J A ndrol 2010 121 36-46 的包括?高尔基体小泡形成顶体?从远端中心 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 fineprintcn 际生殖健康 计划生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 20 10熏 Vol 29熏 No 3 159 粒形成轴丝周围有轴周结构包围一起形成鞭毛 和染色的鞭毛正常这 些结构和功能有明显的联 ?在中段轴丝周围的螺旋鞘中线粒体的迁移和发 系但也不能认为是与天然精 样本中观察到的精 育?各向异性的精子头的形成椭圆形和侧面梨 子一样精子尾部形 态学正常但是轴丝异常也会 形其细胞核高度浓缩?绝大多数细胞质的消 [7] 导致精子不能运动 同样一个完美的具有正常结 失换言之在精子发生的最后一个基本步骤中单 [8] 构的椭圆形头部不一定反映其染色质的成熟 或者 倍体精子细胞由正常细胞形态也就是圆形细胞以 [9] 没有DNA 片段 相反在透明带中发现的理想形 [4] 及一种中央圆形细胞核和围绕着细胞核的各种细 态的精子似乎具有正常成熟的染色质 胞器逐渐演变成睾丸精子简单的描述为一个精 具有理想形态的精子超级模型 子头中段和尾部这些高度分化的细胞改变其细 成熟形态表示最佳受精潜能 胞成分以行使其生理功能逐渐地运输其单倍体基 尽管有这些不足观察进入到女性生殖道中的 因组给卵母细胞并与其相互作用从而在受精时 精子及其形态和生 物特征可以定义形态正常的精 传递其遗传信息这种导致精子细胞装配的转变不 子选定的形 成一个实践基础用来评估射出 是一个连续的过程而是每个亚细胞成分的装配都 或者其他条件下 如密度梯度处理后或用上游法得 经历了一个接一个的过程虽然在输精管管腔中的 到的理想形态精 子精子选择后正常精子的百分比 [10] 睾丸精子与射出精子外观相同但其在离开睾丸时 显著增加 正常精子百分比与各种生育力终点特 [11] 分子组成或组织上并不完全成熟事实上睾丸精子 别是与体外受精有统计学的相关性 成为能否使 是在附睾的迁移过程中获得了完全的受精能力 用这些标准定义正常精子形态的争论焦点这些数 上述的情况是个理想状态对于人类用显微 据有助于1999 年世界卫生组织WHO 同意推荐该 镜检查表明精子复杂的形态学过程并不是非常有 方法成为所谓的严格方法以评估正常的精子形态 效会产生各种异常的和功能不完善的精子重要 该方法仍然包括在即将出版的《世界卫生组织人类 的是研究者要分析引起这些缺陷的原因及其对生 精 分析实验室技术手册》简称手册中应该加 育可能造成的后果 强使用严格定义描述精子形态的创新性特点事实 精液样本和取自女性生殖道的精子形态 上在其发展之前一些分类方法的定义很模糊或 对不育或可育男性射出的精子染色涂片进行 根本无法定义因此很难从不同观察者中取得一致 数个显微镜视野观察时最引人 目的发现是那些 的结果这种缺点或者模糊的定义经常导致正常精 形态上未完成不成熟或者畸形的明显形态异 子的百分比高达80 两个观察者对同一玻片的观 常的精子多于形态学上理想的精子这与其他哺 察差别达到30或更高 乳动物物种相比有显著的不同其他物种产生的绝 仅注重形态上理想的精子就足够吗 大多数精子是成熟的具有更加统一的形态 这种将重点放在理想形态精子上的快速的 因此过多的不成熟和形态异常精子的产生可 易于使用的方法 是否就能满足对于精子形态学分 能是很多破坏精子发生的复杂因素一起作用的结 析需要的不同背 景呢第4 版手册的编辑人员建议 果而且也可以反映自然条件下的低生育可能但 使用严格方法这一 单一方法对正常精子形态进行 是进入宫颈黏 或者通过卵丘细胞的精子的形态 分类但是在另一部 分中手册又指出对异常形态 [1-4] [11] 显著不同也就是说这些精子更加正常 这种形 的详细分类可能是有用的 与第4 版相比即将出 态选择的过程取决于精子细胞进入到女性生殖道 版的第5 版手册强调了将重点放在异常精子形态 [5] 上有帮助新版手册提供了异常精子的典型摄像标 的内在能力及其所处的周围环境的生理特性 在 卵母细胞周围的大多数精子具有从无破坏性的精 本及详细描述 不将其定义为正常形态的精子并 子发生过程中形成理想形态精子的形态特征这 进一步发展了畸形精子的各种指标见下文但第 些观察导致了下面的想法根据女性生殖道中精子 5 版手册仍然没有提供确切的步骤来对不同类别的 [6] 的显微特征定义精 中正常的精子形态 这一概 异常精子进行分类 也没有明 说明对异常精子形 念联想到一位病理学家使用的结构- 功能关系的 态的分类什么时候是有用的 更宽泛的概念但是应该指出的是用光学显微镜 目前一般认为人类精子形态的检测是一种用 观察即使放大1 000 倍观察染色的涂片也不能评 于临床和生育力预测的工具在夫妇试图妊娠的情 估精子细胞的功能虽然进入宫颈黏 精子的形态 况下这无疑与妇产科医生对精 分析的描述有 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 fineprintcn 160 国际生殖健康 计划生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 2010 熏 Vol 29熏 No 3 关男科学家或者生殖生物学家分析精 样本的主 非有证据表明并非如此该方法在讲法语以外的 要目的是 定预后值得 意的是研究者普遍认 [18] 家很少使用在Slama 等 的研究中对 1 000 例妊 为这种分析将主要用于直接决定辅助生殖技术 娠妇女的男性伴侣进行连续2 次集中的染色涂片 ART 的选择简单讲就是是否有足够形态正常 并使用严格方法或者David 法的标准分析正常精子 即理论上最佳的受精能力的精子另外分析的 的形态正如预期的那样用David 法分析的正常形 目的可能是用来 定如此大数量的异常对体内或 态精子百分比高1520 用这2 种方法得出的数 体外受精可能的负面影响当然临床医生认为精 值有很高的相关性r 049 P 0000 05 评估与妊娠 分析对预测效果是有限的特别是在ART 的病例 可能性相关的两条曲线也有类似的状况David 法 中认为可能仅检测正常形态的精子就足够了特 的阈值是39 严格方法的阈值是 19 都没有超 别是一些研究指出这些精子与生育力的统计学的 过这2 种方法提供的鉴别值在这些阈值以下曲 [12-14] 关系 然而一些研究通过分析异常形态精子和 线的剖面和其Y 轴的截距显示如果将边缘的精子 使用各种畸形精子的指标了体内或体外受精 认定为正常的话可得到更好的鉴别见Figure 1 A [15-18] 的预测值 因此研究生育力是否与正常和异常 和B 的精子形态有同等程度的关系是有益的也有潜在 目前只有在夫妇双方试图治疗其不孕时才考 作用一些数据表明自然生育力与异常形态的关系 虑预后的评估然而生殖生物学家和男科学家的 [16] 要强于与正常形态的关系 但这点仍有待于证实 作用不仅仅局限在对精子形态进行描述以 定生 基于严格方法的正常精子形态的分析最有争 育力的预测像病理学家对一个已知的临床活检的 议的是已报道的正常生育男性的正常形态精子的 显微标本进行描述一样生殖生物学家和男科学家 [19-21] 百分比非常低 尽管符合卵母细胞周围典型精 已对染色的精 涂片的精子样本进行了观察描述 子的数量但对于如此低的正常精子比例不禁要 和分类应该提供一个生物诊断来适合以前的情 问是不是定义为理想精子形态的标准过于严 况为什么只有很小数目的精子能正 地组装生 格根据这些标准这一特性在可育男性人口中的 活经历疾病治疗或者环境因素如何影响精子生 分布如何这将在即将出版的手册中提出考虑到 成不幸的是几乎没有精子形态的描述可反映具 推荐从观察的200 个精子细胞中估计形态正常的 体的生活经历或者特定的环境因素与此相反已 精子百分比可信限应该如何看待可育和不育的阈 表明一些精子异常有确切的遗传起源特别是当单 [22] [25] 值分别为12和9 的理想形态的判别能力 如 一的异常占主导地位 时详尽的综述见文献 果可育人口的数值变化不是很大比如在525 已证明多种环境因素和化学物质会影响到人 之间是否可用此变量来区分2 名男性在某一时 [26-27] 类精子的数量和质 量 一些临床和流行病学研 间的生育概率有明显的不同 比如妊娠时间为2 究表明这些因素与异常的精子发生或不同的生育 个月vs9 个月目前为止对这一问题的争论仍在 力终点[24 28-29] 间有统计学上的联系已知人类睾丸受 继续 [30] 许多物理化学 或 更复杂因子的影响比如心理 使用严格方法得到的形态正常精子的百分比 [31] 压力 表明精子形 态分析能作为有价值的指标显 非常低也引起这些标准实用性问题的争论大家都 示毒性或者基因 毒性的影响以及职业生活方式 同意需要有精 的标准来定义理想形态并且为标 或环境因素对睾 丸的影响 准的选择奠定了良好的基础见上文然而精子 评估人类精子形态的方法 细胞形状和大小的连续性这个概念引起了精子形 有2 种研究人类精子形态的方法无论是通过 状和大小的分类接近 正常的阈值界定的问题 视觉观察手工方法还 是使用计算机的视觉衍生 1999 年WHO 分类准则指出任何低于正常特征边 方法都是基于对染色涂片的显微镜分析对于这2 缘的精子细胞都应该视为异常不知道是否有循 种方法涂片染色必须对精子外形和细胞详情提供 证数据显示精子的大小形状或结构的细微变化导 令人满意的鲜明对比这些特征的认识还取决于最 致低于正常的表型会使受精能力有显著变化在法 终放大倍数一般是手工放大 1 000 倍100 倍的 [23-24] David 修正的分类法中 除了将略次于正常的 浸物镜和10 倍的目镜预分析程序已经说明在第 形状大小或结构的精子认为是正常的之外对形 [12] 4 版手册 中可以找到观察员使用标准的显微镜 态正常精子的定义与严格方法的定义基本一致除 观察方法对每个精子细胞进行正常或异类并最 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 fineprintcn 际生殖健康 计划生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 20 10熏 Vol 29熏 No 3 161 尾部缺陷的增长比例有关少数精子只有一个缺 A 陷一些形态学缺陷意味着精子形态形成过程异常 以及生育能力的下降所有精子细胞经涂片染色观 察而列为正常或异常通过对异常精子细胞缺 陷的观察例如关于头部中段或尾部再进一步 分组这就要求亚组的界定要明 依赖光或电 子显微镜的专业知识和或在精子缺陷分类和功 能异常的联系之间有循证的数据例如法国的分类 Proportion of morphologically normal 见 Table 1 [ 23-24 ] 这证明在诊断预测和研究目 spermatoza 鄄WHO criteria [2815-161824 32-33] [12] 的 方面都有用应关 第4 版手册 列 B 出的精子缺陷分类不过还没有给出每一分类的 确切定义此外为得出准 和可比较的结果应 对亚分类的定义加以说明例如缺陷评估时是 否应当考虑每个部位只有一个缺陷 在头部中 段或尾部如果是那么是哪个部位另外观察 到的每个异常精子的所有缺陷应一起考虑 用 David 的办法 多种精子畸形指数的应用 Proportion of morphologically normal spermatoza 鄄David s criteia 大多数形态异常精子有多种缺陷关于形态正 常精子连同在多重输入系统中观察到的头部中段 C 和尾部异常的细节的给出每个精子异常的平 均数早已提出3 项指标多种异常指数MAI[16] 畸形精子指数TZI[34-35] 和精子畸形指数SDI[36] 以 每个异常精子中异常部位的平均数计算MAI 所有 头部中段和尾部异常都列入计算TZI 也类似但 只有每个精子只有一个异常时才计算每个异常精 子最多只有一个头一个中段和一个尾部的异常 Multiple anomalies index 独立于实际异常总数之外SDI 是精子总数包括异 Figure 1 Unadjusted probability of pregnancy per month of 常和正常精子划分的缺陷数 对于头部异常分为 attempt at pregnancy based on normal morphology using World 几类但中段和尾部缺陷各只有一类实验室细胞 Health Organization WHOstrict method borderline abnormal 计数器在输入 键数目与标志类型适应时可以使用 [A] modified David s criteria borderline normal [B] and multiple anomalies index MAI [C] in a population of 942 fertile 尽管概念不同MAI 和TZI 在生育和不生育的 European couples Reproduced from Slama et al[18] In this study 人口中分布情况类似MAI 在994 例妊娠妇女的健 thresholds were found by both approaches 19 with the WHO 康可育的男性伴侣和4 930 对不育夫妇中其测定 method and 39 with the method of David there was no threshold for MAI 的中位数和第 10 百分位数值分别为 158 和 134 [24] 与194 和151 Auger 等 未公布的数据TZI 在 终通过严格界定的标准对每项异常进行分类相比 107 例妊娠妇女的健康可育的男性伴侣和103 对不 之下电脑辅助技术测量选定的每个精子细胞不同 育夫妇中其测定的中位数和第 10 百分位数值分 的形态特征主要是头部参数以上已讨论过形态 别为 154 和133 与 181 和 174[35] 这些指标与在 正常精子的视觉分类以下的讨论更 重形态异常 体内的生育率相关 [MAI[1618] 意如 Figure 1 所 精子或精子的缺陷而不仅关 符合理想标准精子 示因为MAI 和妊娠概率之间是一个伪线性关系 的潜在优点 所以没有阈值 TZI [35]] 以及与体外受精的生育率 描述异常精子失败者艰巨而必要的工作 相关SDI [ 36 ] 并且在评估各种环境因素或病 有缺陷的精子通常与精子在头部中段和或 理条件[24 37-38] 时可能有用 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 fineprintcn 162 国际 生殖健康 计划生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 2010 熏 Vol 29熏 No 3 Table 1 Morphological abnormalitiesa and sperm pathology a Sperm defect Light microscopy final Possible related TEM Possible associated Reference magnification[伊1 000] observations functional anomaly [8] Elongated head Abnormally Immature Dadoune et al Major axis 尹 shaped head and chromatinfragmented Gandini et al[47] Minor axis abnormally DNA possible Prisant et al[48] condensed disadvantage for embryo chromatin development increased aneuploidy Thin head Abnormally Immature Dadoune et al[8] Major axis shaped head and chromatinfragmented Gandini et al[47] Minor axis 引 abnormally DNA possible disadvantage condensed chromatin for embryo development Microcephalous head Excessive Immature Dadoune et al[8] Major axis 引 shrinking of the chromatinfragmented Gandini et al[47] Minor axis 引 nucleus and abnormally DNA condensed chromatin Macrocephalous head Insufficient shrinking Increased aneuploidy Benzacken et al[49] Major axis 尹 of the nucleus and Minor axis 尹 abnormally condensed chromatin Multiple heads Two or more closed or Handicaps migration Gandini et al[47] More than one head dissociated heads through mucus and with or without a oocyte vestmentsfragmented common acrosome DNA or midpiece Abnormal postacrosome region Abnormally shaped Possible disadvantage Gandini et al[47] All outline and texture post鄄acrosomal for gamete interaction Courtot et al[50] anomalies of the region component and Longo et al[51] disorganization of Escalier[52] the cape structures abnormal DNA condensation Abnormal acrosome Absent or abnormally Abnormal鄄impossible Albert et al[53] [47] region shaped or sized acrosome Gandini et al All outline size and acrosome incomplete reactionfragmented Holstein et al[54] texture anomalies of the region acrosome andor DNA possible disadvantage abnormalappearance for gamete interaction oftheunderlying nucleus embryo development Abnormal residual Abnormally wide Handicaps migration Courtot et al[50] cytoplasm cytoplasmic remnant through cervical mucus Gomez et al[55] Residual cytoplasm containing subcellular and oocyte vestmentsa 30 of head size components possible disadvantage for gamete interaction source of ROS To be continued PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 fineprintcn 际生殖健康 计划生育杂志 20 10 年 5 月第29 卷第 3 期 J Int Reprod Health Fam Plan May 20 10熏 Vol 29熏 No 3 163 Table 1 Morphological abnormalitiesa and sperm pathologycontinued a Sperm defect Light microscopy final Possible related TEM Possible associated Reference magnification[伊1 000] observations functional anomaly Thin midpiece Partial or absent No or reduced ATP Zamboni[56] Diameter of midpiece mitochondrial sheath available for cell diameterof the propelling proximal principal piece Bent tail Misaligned midpiece Impairment of syngamy Chemes et al[57] Not aligned with