Name: 用于检测人类精子功能缺陷的生物标志物的流式细胞术分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: 学习使用流式细胞术评估人类精子功能生物标志物的方法，包括凋亡、线粒体膜电位和DNA损伤检测。该技术为不育症诊断提供了可靠工具，可应用于多种流式细胞仪平台。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

我们感谢所有现场工作人员的帮助以及受访者们的配合。

注意：通过流式细胞术检测精子功能损伤生物标志物的工作流程包括（1）细胞制备，（2）荧光试剂染色，以及（3）流式细胞分析与数据分析（图1）。本方案遵循陆军军医大学伦理委员会的指导原则（1.0/2013.4-12）。
1. 细胞准备
<ol>
	<li>通过手淫方式将人类精液样本采集至塑料临床样本罐中，最好在禁欲3-5天后进行。</li>
	<li>立即将精液样本放入37 °C培养箱中孵育，并使其完全液化（最长可达1小时）。</li>
</ol>
2. 使用计算机辅助精子分析（CASA）计数精子细胞
<ol>
	<li>充分混匀液化的精液样本。</li>
	<li>取 10 µL 精液加入精子计数板（参见材料表）。</li>
	<li>将载玻片放入精子分析仪（Sperm Class Analyzer）中进行扫描（参见材料表），至少计数六个区域和 400 个精子，以估算精子浓度。 
	&#8203;注意：用于精子凋亡和线粒体膜电位（MMP）分析的精液样本必须为新鲜样本，不可冷冻。</li>
</ol>
3. 精子细胞染色
<ol>
	<li>使用 Annexin V-FITC/PI 染色法检测精子凋亡
	<ol>
		<li>将 1 × 106 个精子细胞加入到一个 1.5 mL 离心管中。</li>
		<li>用 500 µL 冷的磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤细胞。</li>
		<li>将精子细胞悬液在 300 × g 条件下离心 7 分钟，弃去上清液。</li>
		<li>用 200 µL 的 1× 结合缓冲液重悬精子细胞。</li>
		<li>加入 2 µL FITC 标记的 Annexin V 和 2 µL 碘化丙啶（PI）（参见材料表）。</li>
		<li>轻轻涡旋混匀细胞，在室温（25 °C）避光孵育 15 分钟，立即放入流式细胞仪进行分析。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 JC-1 探针分析线粒体膜电位
	<ol>
		<li>将 2 × 106 个精子细胞加入到一个 1.5 mL 离心管中，在 600 × g 条件下离心 5 分钟。</li>
		<li>用 1 mL JC-1 工作液重悬精子细胞悬液（参见材料表）。</li>
		<li>轻轻涡旋混匀细胞，在 37 °C 避光孵育 20 分钟。</li>
		<li>在 600 × g 条件下离心 5 分钟，弃去上清液。</li>
		<li>用 1 mL PBS 以 600 × g 离心 5 分钟洗涤沉淀两次。</li>
		<li>将染色后的精子细胞用 1 mL PBS 重悬于流式细胞仪检测管中，立即放入流式细胞仪进行分析。</li>
		<li>使用羰基氰化物间氯苯腙（CCCP）作为阳性对照。将精子细胞（如步骤 3.2.1 所述）用 1 mL CCCP 工作液重悬（参见材料表），轻轻涡旋混匀，在室温避光孵育 20 分钟。在 600 × g 条件下离心 5 分钟，弃去上清液。重复步骤 3.2.2–3.2.6。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>精子染色质结构分析（SCSA）
	<ol>
		<li>取一份液化后的原始精液（0.25 mL）放入冻存管中，立即在液氮（-196 °C）中速冻，待进行 SCSA 检测时使用。</li>
		<li>在 37 °C 水浴中解冻精液样本，并用 TNE 缓冲液（参见材料表）稀释至浓度为 1–2 × 106 个细胞/mL。</li>
		<li>取 200 µL 稀释后的样本加入流式细胞仪检测管中，与 400 µL 酸溶液（参见材料表）混合 30 秒。</li>
		<li>加入 1.2 mL AO 染色液（参见材料表）对样本进行染色，立即放入流式细胞仪进行分析。</li>
		<li>使用参考样本作为内部标准，用于流式细胞仪的设置和校准。将参考样本用 4 °C 的 TNE 缓冲液稀释至浓度为 1–2 × 106 个细胞/mL。重复步骤 3.3.1–3.3.4。 
		注意事项：所有溶液和缓冲液均保存在 4 °C。（1）在快速冷冻前不应稀释精液。原始精液样本应在流式细胞术检测时解冻并用 TNE 缓冲液稀释。（2）对于不孕症诊所，应将约 0.25 mL 原始精液在超低温冰箱或液氮罐中进行速冻。这些冷冻样本可随后在干冰或液氮干式运输罐中送至 SCSA 诊断实验室。（3）选用一个显示 DNA 完整性异质性的男性射精样本（例如，DNA 断裂指数 [DFI] 为 15%）作为内部标准参考。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 流式细胞仪设置
注意：在启动流式细胞仪之前，应执行仪器的系统检查，以验证其分析性能。在所有检查项目完成并合格后，再运行样本。
<ol>
	<li>打开流式细胞仪软件并启动细胞仪。</li>
	<li>收集样本数据。
	<ol>
		<li>首先，将对照样本加载到流式细胞仪上，点击“运行”（RUN）以开始数据采集（如有需要，可调整设置）。等待仪器开始吸取样本，并实时显示检测到的事件预览。 
		注意：对照样本包括：用于精子凋亡分析的阴性对照（未染色的精子细胞）；用于线粒体膜电位（MMP）分析的阳性对照（经CCCP处理的细胞）；用于SCSA分析的参考样本。</li>
		<li>创建用于查看数据的散点图，选择横轴/纵轴参数（如FSC、SSC）以及线性显示方式，以确定数据的呈现形式。绘制多边形门控以圈定用于分析的精子群体，使仪器能够实时绘制检测到的事件。</li>
		<li>分析该区域内的精子事件。
		<ol>
			<li>对于精子凋亡分析，将FL1设为横轴，FL2设为横轴。通过点击并拖动象限门控，将精子群体划分为四个特定亚群，以区分活细胞、凋亡细胞和坏死细胞。</li>
			<li>对于MMP分析，将FL1设为横轴，FL2设为纵轴。创建一个多边形门控，将精子群体划分为两个特定亚群。</li>
			<li>对于SCSA分析，将FL4设为横轴（红色荧光，125/1,024流式通道），FL1设为纵轴（绿色荧光，475/1,024流式通道）。以45°角绘制门控，以排除细胞碎片信号。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>设置运行限制，以指示何时停止数据采集。每份样本在进行精子凋亡、MMP和SCSA分析时，均需总计分析10,000个精子细胞。</li>
		<li>根据细胞数量设置流速（慢、中、快，或自定义流速）。 
		注意：对于SCSA分析，为确定精子浓度，需将冷冻的原始样本解冻后在流式细胞仪（FCM）上运行。若流速&#62;250/秒，则需将样本稀释至合适的流速。所有样本均需独立测量两次，并计算平均值。每测量10–15个样本后，需检测一次参考样本，以确保仪器在不同日期间的标准化和稳定性。</li>
		<li>设置阈值，以从细胞样本中排除碎片和噪声。将这些设置应用于实验中的所有样本。</li>
		<li>如有需要，设置颜色补偿以校正荧光溢出。</li>
		<li>在将样本加载到流式细胞仪之前，轻轻反复吹打混匀，命名样本后开始运行。</li>
		<li>所有样本运行完毕后，将样本数据保存为FCS文件，并命名以便后续软件分析。可选择性地保存当前实验的工作模板，供未来实验调用。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 数据分析
<ol>
	<li>将数据导入流式细胞仪的数据分析软件中（参见材料表）。</li>
	<li>双击工作区中的第一个样本，等待图形窗口打开，显示FSC与SSC参数下各事件的散点图。创建一个门控区域，圈定精子群体，从而从原始事件集中生成一个“子代”群体。</li>
	<li>在门控区域内双击，打开一个新的仅包含精子事件的图形窗口。设置x轴和y轴参数以选择荧光通道。</li>
	<li>选择门控工具，点击图中区域以显示门控，使所创建的门控分离出不同的细胞群体。</li>
	<li>右键单击（或按住Control键单击）任意高亮显示的行，选择复制分析至分组，将门控策略树应用于该分组内的所有样本。</li>
	<li>保存并导出数据表格。</li>
</ol>

<ol><li>Agarwal, A., Mulgund, A., Hamada, A., Chyatte, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+unique+view+on+male+infertility+around+the+globe%5BTitle%5D)+AND+%22Reproductive+Biology+and+Endocrinology%22%5BJournal%5D)">A unique view on male infertility around the globe.</a> Reproductive Biology and Endocrinology. 13 (1), 1-9 (2015).</li>
<li>Nachtigall, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((International+disparities+in+access+to+infertility+services%5BTitle%5D)+AND+%22Fertility+and+Sterility%22%5BJournal%5D)">International disparities in access to infertility services.</a> Fertility and Sterility. 85 (4), 871-875 (2006).</li>
<li>Agarwal, A., Allamaneni, S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sperm+DNA+damage+assessment%3A+a+test+whose+time+has+come%5BTitle%5D)+AND+%22Fertility+and+Sterility%22%5BJournal%5D)">Sperm DNA damage assessment: a test whose time has come.</a> Fertility and Sterility. 84 (4), 850-853 (2005).</li>
<li>Peña, F. J., Ortega Ferrusola, C., Martín Muñoz, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+flow+cytometry+approaches+in+equine+andrology%5BTitle%5D)+AND+%22Theriogenology%22%5BJournal%5D)">New flow cytometry approaches in equine andrology.</a> Theriogenology. 86 (1), 366-372 (2016).</li>
<li>Oosterhuis, G. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+apoptosis+in+human+spermatozoa%3A+a+biological+assay+for+semen+quality%5BTitle%5D)+AND+%22Fertility+and+Sterility%22%5BJournal%5D)">Measuring apoptosis in human spermatozoa: a biological assay for semen quality.</a> Fertility and Sterility. 74 (2), 245-250 (2000).</li>
<li>Koopman, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Annexin+V+for+flow+cytometric+detection+of+phosphatidylserine+expression+on+B+cells+undergoing+apoptosis%5BTitle%5D)+AND+%22Blood%22%5BJournal%5D)">Annexin V for flow cytometric detection of phosphatidylserine expression on B cells undergoing apoptosis.</a> Blood. 84 (5), 1415-1420 (1994).</li>
<li>Freitas, M. J., Vijayaraghavan, S., Fardilha, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Signaling+mechanisms+in+mammalian+sperm+motility%5BTitle%5D)+AND+%22Biology+of+Reproduction%22%5BJournal%5D)">Signaling mechanisms in mammalian sperm motility.</a> Biology of Reproduction. 96 (1), 2-12 (2017).</li>
<li>Lehti, M. S., Sironen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+function+of+sperm+tail+structures+in+association+with+sperm+motility+defects%5BTitle%5D)+AND+%22Biology+of+Reproduction%22%5BJournal%5D)">Formation and function of sperm tail structures in association with sperm motility defects.</a> Biology of Reproduction. 97 (4), 522-536 (2017).</li>
<li>Durairajanayagam, D., Singh, D., Agarwal, A., Henkel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Causes+and+consequences+of+sperm+mitochondrial+dysfunction%5BTitle%5D)+AND+%22Andrologia%22%5BJournal%5D)">Causes and consequences of sperm mitochondrial dysfunction.</a> Andrologia. 53 (1), 13666(2021).</li>
<li>Agnihotri, S. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitochondrial+membrane+potential+%28MMP%29+regulates+sperm+motility%5BTitle%5D)+AND+%22In+Vitro+Cellular+and+Developmental+Biology.+Animal%22%5BJournal%5D)">Mitochondrial membrane potential (MMP) regulates sperm motility.</a> In Vitro Cellular and Developmental Biology. Animal. 52 (9), 953-960 (2016).</li>
<li>Smiley, S. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracellular+heterogeneity+in+mitochondrial+membrane+potentials+revealed+by+a+J-aggregate-forming+lipophilic+cation+JC-1%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Intracellular heterogeneity in mitochondrial membrane potentials revealed by a J-aggregate-forming lipophilic cation JC-1.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88 (9), 3671-3675 (1991).</li>
<li>Evenson, D. P., Darzynkiewicz, Z., Melamed, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relation+of+mammalian+sperm+chromatin+heterogeneity+to+fertility%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Relation of mammalian sperm chromatin heterogeneity to fertility.</a> Science. 210 (4474), 1131-1133 (1980).</li>
<li>Evenson, D. P., Djira, G., Kasperson, K., Christianson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationships+between+the+age+of+25%2C445+men+attending+infertility+clinics+and+sperm+chromatin+structure+assay+%28SCSA%C2%AE%29+defined+sperm+DNA+and+chromatin+integrity%5BTitle%5D)+AND+%22Fertility+and+Sterility%22%5BJournal%5D)">Relationships between the age of 25,445 men attending infertility clinics and sperm chromatin structure assay (SCSA®) defined sperm DNA and chromatin integrity.</a> Fertility and Sterility. 114 (2), 311-320 (2020).</li>
<li>Evenson, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sperm+chromatin+structure+assay+%28SCSA%C2%AE%29%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">Sperm chromatin structure assay (SCSA®).</a> Methods in Molecular Biology. 927, Clifton, N.J. 147-164 (2013).</li>
<li>Agarwal, A., Said, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+sperm+chromatin+abnormalities+and+DNA+damage+in+male+infertility%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Reproduction+Update%22%5BJournal%5D)">Role of sperm chromatin abnormalities and DNA damage in male infertility.</a> Human Reproduction Update. 9 (4), 331-345 (2003).</li>
<li>Ricci, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Apoptosis+in+human+sperm%3A+its+correlation+with+semen+quality+and+the+presence+of+leukocytes%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Reproduction%22%5BJournal%5D)">Apoptosis in human sperm: its correlation with semen quality and the presence of leukocytes.</a> Human Reproduction. 17 (10), 2665-2672 (2002).</li>
<li>Zhang, H. -B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+apoptotic+changes+in+human+spermatozoa+and+their+relationships+with+conventional+semen+parameters+and+sperm+DNA+fragmentation%5BTitle%5D)+AND+%22Asian+Journal+of+Andrology%22%5BJournal%5D)">Early apoptotic changes in human spermatozoa and their relationships with conventional semen parameters and sperm DNA fragmentation.</a> Asian Journal of Andrology. 10 (2), 227-235 (2008).</li>
<li>WHO laboratory manual for the examination and processing of human semen. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.who.int/publications/i/item/9789240030787">https://www.who.int/publications/i/item/9789240030787</a> (2022).</li>
<li>Evenson, D. P., Wixon, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmental+toxicants+cause+sperm+DNA+fragmentation+as+detected+by+the+Sperm+Chromatin+Structure+Assay+%28SCSA%29%5BTitle%5D)+AND+%22Toxicology+and+Applied+Pharmacology%22%5BJournal%5D)">Environmental toxicants cause sperm DNA fragmentation as detected by the Sperm Chromatin Structure Assay (SCSA).</a> Toxicology and Applied Pharmacology. 207 (2), 532-537 (2005).</li>
<li>Wang, Y. X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phthalate+exposure+in+association+with+serum+hormone+levels%2C+sperm+DNA+damage+and+spermatozoa+apoptosis%3A+A+cross-sectional+study+in+China%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Research%22%5BJournal%5D)">Phthalate exposure in association with serum hormone levels, sperm DNA damage and spermatozoa apoptosis: A cross-sectional study in China.</a> Environmental Research. 150, 557-565 (2016).</li>
<li>Ni, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diurnal+variation+in+sperm+DNA+fragmentation%3A+analysis+of+11%2C382+semen+samples+from+two+populations+and+in+vivo+animal+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Chronobiology+International%22%5BJournal%5D)">Diurnal variation in sperm DNA fragmentation: analysis of 11,382 semen samples from two populations and in vivo animal experiments.</a> Chronobiology International. 36 (11), 1455-1463 (2019).</li>
</ol>

作者声明不存在利益冲突。

人类精子的染色质完整性、线粒体膜电位（MMP）以及凋亡情况已被证实为预测生殖结局的重要指标。最新发布的《世界卫生组织人类精液检查与处理实验室手册》（第六版）也强调了其中部分指标（染色质完整性和凋亡）的重要性，将其列为常规参数（如精子数量）基本检查之外的扩展检测项目18。近期的研究文献还表明，这些指标对外部有害暴露的反应可能更为敏感，提示其在更早阶段识别生殖损伤方面具有潜在应用价值19,20。将这些指标与常规检查相结合，可能有助于更全面地了解精子功能障碍的特征以及人群中男性生殖损伤的复杂性。
使用流式细胞术（FCM）进行精子分析的成功与否在很大程度上取决于几个关键因素。首先，精子线粒体膜电位（MMP）和凋亡的检测必须在精液液化后立即进行。为尽量减少操作时间，可由两名技术人员分别同时处理同一样本的MMP和凋亡分析的预处理步骤。由于凋亡分析的预处理步骤较为简单，其进入流式细胞术检测阶段的速度将快于MMP分析。对于精子染色质结构分析（SCSA），新鲜精液样本应在液化后立即进行冷冻保存。精子样本随后可长期储存在液氮中，无需立即检测。
因此，实验的现场耗时可压缩至40分钟，即线粒体膜电位（MMP）分析与精子流式细胞分析步骤所需时间的总和。第二，在流式细胞分析平台中，每批样品需单独设定设门（gating）策略。可选择在散点图中细胞亚群清晰的精子样本作为参考，用于划定设门区域。第三，由于本实验各项指标尚无广泛认可的临床参考值，历史检测结果可作为质量控制的重要依据。建议在每批检测中均设置阳性和阴性对照，尤其是对于精子染色质结构分析（SCSA）和线粒体膜电位（MMP）检测。
此处提供的精子分析代表性结果是使用 Accuri C6 获得的。然而，该技术经过轻微修改后也可应用于其他商业平台。通常，总共需要 5 × 106 个精子细胞，以满足所有指标检测的要求。如果某个样本的精子浓度远低于平均水平，则所需精液体积将相应增加。
与常规精液参数类似，人类精子的染色质完整性、线粒体膜电位（MMP）以及凋亡情况也存在明显的个体内变异21。因此，对不同时间采集的样本进行多次检测，可能更准确地评估精子功能损伤水平。尽管世界卫生组织（WHO）未对流式细胞术分析前的禁欲时间提出明确建议，但可采用常规精液分析所推荐的2-7天射精禁欲期。这有助于提高不同实验室之间以及同一男性不同样本之间检测结果的可比性。
该方法的一个主要局限性在于，所检测的三种生物标志物中有两种——即细胞凋亡和线粒体膜电位——需要使用新鲜精液样本。这可能会限制该方法在无法向实验室提供精液样本的男性中的应用。对于DNA损伤检测（SCSA），应在实验前制备参考样本，以校准流式细胞仪。需要注意的是，本实验方案的应用要求实验室配备流式细胞仪（FCM），尽管在某些地区可选择与第三方服务机构合作作为替代方案，但对许多临床实验室而言，这仍然是一个相当大的挑战。
此外，染料和其他试剂的费用对于可能需要进行检测的男性而言也是一项经济负担。最后，如果使用不同品牌或型号的流式细胞仪来检测这些生物标志物，则该实验方案可能需要相应调整。总之，本文介绍了一种利用单一流式细胞仪评估人类精子损伤三种生物标志物的实用方法，该方法可为男性生殖健康提供有价值的信息，并补充常规精液检测。

不孕症已成为一个公共卫生问题，其中男性因素占所有病例的40%–50%1,2。尽管常规精液质量分析在评估男性生育潜力方面具有重要作用，但约有15%的不孕患者其精子参数（如精子浓度、活力和形态）均在正常范围内3。此外，常规精子检查重复性差，提供的精子功能信息有限，无法对男性生育力进行准确评估，也不能反映精子的细微缺陷。目前已开发出多种检测精子功能的技术，如半透明带结合试验（HZA）、精子穿透试验、低渗肿胀试验和抗精子抗体检测，但这些方法耗时较长，且易受操作者主观因素影响。因此，有必要开发快速、准确的精子功能分析方法。
流式细胞术（FCM）是一种于20世纪70年代发展起来的快速单细胞分析技术，已广泛应用于细胞生物学和医学的各个领域。FCM是一种用于评估精子功能的有力工具，可分析经特异性荧光探针标记的精子4。精子通过单通道或多通道激光束时，会产生散射光和发射荧光。散射光包括前向散射光（FSC）和侧向散射光（SSC），分别反映被测细胞的大小以及细胞的颗粒度或内部结构。这些信号由计算机系统收集、显示并进行分析，从而快速、准确地测定精子的一系列特征。因此，FCM是一种快速、客观、多维度且高通量的技术，在精子分析领域受到越来越多的关注。FCM的应用可弥补传统方法的不足，为精子内部结构与功能的检测提供了新的途径。
精子凋亡与男性生育力密切相关5。检测精子凋亡是评价精子分子水平功能的重要指标。流式细胞术（FCM）被广泛认为是一种可靠且灵敏的检测精子凋亡的方法，常采用Annexin V-FITC/PI染色法。其基本原理是，在凋亡早期，磷脂酰丝氨酸（PS）从细胞膜内层转移至外层。Annexin V是一种依赖Ca2+的磷脂结合蛋白（通常用FITC标记），对PS具有高亲和力，因而可检测暴露于细胞膜外表面的PS6。结合PI染色可区分坏死与凋亡。因此，Annexin V-FITC/PI双染法被广泛应用，该方法快速、简便，易于检测不同类型的凋亡精子细胞。
一个成熟的哺乳动物精子含有大约72-80个线粒体7，这表明精子线粒体的保留具有生物学意义8。研究发现，精子线粒体在维持精子运动能力和生育力方面发挥着重要作用9。JC-1染料可作为多种细胞类型中线粒体膜电位（MMP）的指示剂，是评估精子线粒体活性最常用的荧光染料之一10。JC-1是一种阳离子染料，能够依赖膜电位在线粒体内聚集。当JC-1结合到高电位（ΔΨm，80-100 mV）的膜上时，会形成J-聚集体11，其最大荧光发射波长从525 nm（绿色）转变为约590 nm（橙红色）。因此，精子线粒体去极化表现为红/绿荧光强度比值的下降，而流式细胞术（FCM）可用于检测人精液样本中的线粒体膜电位水平。
SCSA 方法由 Evenson 等人发明12，被认为是一种精确且可重复的检测方法，能够在 1,024 × 1,024 通道尺度上提供独特的双参数数据（红色与绿色荧光）13。在受损精子中，精子细胞核中的 DNA 和变性蛋白质会被吖啶橙（AO）标记，DNA 链断裂通过红色荧光进行测量，而完整的双链 DNA 在流式细胞术（FCM）中发出绿色荧光14。如今，已有多种方法被开发用于评估精子 DNA 完整性。然而，与 SCSA 不同，这些检测方法通常耗时耗力，且缺乏对男性不育症的诊断能力。SCSA 检测结果与人类 DNA 妊娠率及流产率显著相关，提供了有力证据表明 SCSA 可能适用于人类精液分析，并可作为不孕症临床医生的有价值工具15。
染色质完整性、线粒体膜电位（MMP）和细胞凋亡反映了精子功能的不同方面，因此，联合使用这些生物标志物可能更全面地评估精子状态。流式细胞术（FCM）可用于分别检测人精液样本中的染色质完整性、线粒体膜电位或细胞凋亡。尽管流式细胞仪的成本以及染料价格限制了这些技术在生殖健康临床实验室中的广泛应用，但其在生育力评估方面的价值正逐渐被认可。
然而，由于每项实验均需对精子样本进行预处理，且所有预处理后的样本都需尽快检测，若使用一台流式细胞仪对同一样本同时测量这三种生物标志物，可能导致部分实验等待时间过长，从而影响结果的可靠性。这是因为在等待过程中，若未充分统筹考虑全部三项实验的流程安排，精子可能会遭受额外损伤。本文介绍了一种实验方案，可在单台流式细胞仪上连续完成这三种生物标志物的检测，同时避免因等待时间延长而对实验质量造成显著影响。

<table><tbody><tr><td>0.1 M 柠檬酸缓冲液</td><td>Sigma-Aldrich Chemical Co., USA</td><td>251275-5G</td><td>将 21.01 g/L 一水柠檬酸（分子量 = 210.14；0.10 M）加入 1.0 L H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 中。可在 4 &amp;deg;C 下保存数月。</td></tr><tr><td>0.2 M Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; 缓冲液</td><td>Sigma-Aldrich Chemical Co., USA</td><td>V900061-500G</td><td>将 28.4 g 磷酸氢二钠（分子量 = 141.96；0.2 M）加入 1.0 L H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 中。可在 4 &amp;deg;C 下保存数月。</td></tr><tr><td>10 mM CCCP 储存液</td><td>Sigma-Aldrich Chemical Co., USA</td><td>C2759</td><td>将 20.46 mg CCCP 加入 10.0 mL DMSO 中，配制成终浓度为 10 mM 的 CCCP 溶液，分装后于 &amp;minus;80 &amp;deg;C 保存。</td></tr><tr><td>10 &amp;micro;M CCCP 工作液</td><td></td><td></td><td>取 10 mL PBS 加入 15 mL 聚丙烯离心管中，再加入 10 &amp;mu;L CCCP 储存液，配制成终浓度为 10 &amp;micro;M 的 CCCP 溶液。</td></tr><tr><td>1 mM JC-1 储存液</td><td>Sigma-Aldrich Chemical Co., USA</td><td>T4069</td><td>JC-1 以冻干粉形式购得。向瓶中加入少量 DMSO，涡旋数分钟直至染料完全溶解。将溶液转移至避光管中，并用适量 DMSO 冲洗原瓶，合并后配制成终浓度为 1 mg/mL 的 JC-1 溶液，分装后于 &amp;minus;20 &amp;deg;C 保存&amp;nbsp;。</td></tr><tr><td>37 &amp;deg;C 培养箱</td><td>Thermo Scientific, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>5 &amp;micro;M JC-1 工作液</td><td></td><td></td><td>取 10 mL PBS 加入 15 mL 聚丙烯离心管中，加入 50 &amp;mu;L 解冻后的 JC-1 储存液，轻轻搅拌以确保均匀稀释。该溶液必须避光保存并尽快使用。</td></tr><tr><td>Accuri C6 流式细胞仪</td><td>BD Pharmingen, San Diego, CA, United States</td><td></td><td></td></tr><tr><td>酸性溶液，pH 1.2</td><td></td><td></td><td>将 20.0 mL 2.0 N HCl（0.08 N）、4.39 g NaCl（0.15 M）和 0.5 mL Triton X-100（0.1%）溶于 H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 中，定容至 500 mL。用 5 mol/L HCl 调节 pH 至 1.2。</td></tr><tr><td>吖啶橙（AO）储存液，1.0 mg/mL</td><td>Polysciences, Inc, Warrington, Pa</td><td>65-61-2</td><td>将色谱纯化的 AO 溶于 dd-H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O，配制成 1.0 mg/mL 的溶液。</td></tr><tr><td>AO 染色液（工作液）</td><td></td><td></td><td>每 100 mL 染色缓冲液中加入 600 &amp;mu;L AO 储存液。</td></tr><tr><td>生物安全柜</td><td>Airtech, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>计算机辅助精子分析系统（CASA）</td><td>Microptic, Barcelona, Spain</td><td></td><td>Sperm Class Analyzer 5.3.00</td></tr><tr><td>精子计数板</td><td>Goldcyto, Spain</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;仪器&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>FITC Annexin V 凋亡检测试剂盒 I</td><td>BD Biosciences, San Jose, CA</td><td>556547</td><td>包含：（1）FITC Annexin V：浓度为 100 ng/&amp;micro;L；（2）碘化丙啶（PI）：PI 染色液由 50 &amp;micro;g PI/mL 溶于 PBS（pH 7.4）中组成，经 0.2 &amp;micro;M 滤膜无菌过滤；（3）10x 结合缓冲液：含 0.1 M Hepes（pH 7.4）、1.4 M NaCl、25 mM CaCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;。配制 1x 工作液时，将 1 份 10x Annexin V 结合缓冲液与 9 份蒸馏水混合。4 &amp;deg;C 保存，避免长时间暴露于光线下。切勿冷冻。</td></tr><tr><td>FlowJo&amp;nbsp;10</td><td>Tree Star, Inc., San Carlos, CA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水平离心机</td><td>Thermo Scientific, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>液氮罐</td><td>Thermolyne, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;材料&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PBS</td><td>Beyotime, Shanghai, China</td><td>C0221A</td><td>即用型 PBS 缓冲液，购入后室温保存</td></tr><tr><td>染色缓冲液，pH 6.0</td><td></td><td></td><td>将 370 mL 0.10 M 柠檬酸缓冲液、630 mL 0.20 M Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; 缓冲液、372 mg EDTA（二钠盐，分子量 = 372.24；1 mM）和 8.77 g NaCl（0.15 M）混合，在搅拌器上过夜搅拌，确保 EDTA 完全溶解。用饱和 NaOH 溶液调节 pH 至 6.0。</td></tr><tr><td>SCSA 分析用参考样品</td><td></td><td></td><td>将参考样品用冷（4 &amp;deg;C）TNE 缓冲液稀释至工作浓度为 1&amp;ndash;2 &amp;times; 10&lt;sup&gt;6&lt;/sup&gt; 个细胞/mL，用于设定流式细胞仪绿色通道为 475/1,024，红色通道为 125/1,024。</td></tr><tr><td>TNE 缓冲液，1x，pH 7.4（工作液）</td><td></td><td></td><td>将 60 mL 10x TNE 与 540 mL H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 混合。检测 pH（7.4）。</td></tr><tr><td>TNE 缓冲液，10x，pH 7.4</td><td>Perfemiker, Shanghai, China</td><td>PM11733</td><td>即用型缓冲液，购入后于 4 &amp;deg;C 保存。</td></tr></tbody></table>

流式细胞术分析用于检测人类精子功能缺陷的生物标志物

Flow Cytometric Analysis of Biomarkers for Detecting Human Sperm Functional Defects

传统的精液参数分析被广泛用于评估男性生育力。然而，研究发现约15%的不育患者在传统精液参数中未表现出异常。需要借助其他技术来解释特发性不育并检测细微的精子缺陷。目前，精子功能的生物标志物，包括精子凋亡、线粒体膜电位（MMP）和DNA损伤，可在分子水平上揭示精子的生理状态，并能够预测男性生育力。
利用流式细胞术（FCM）技术，可对人类精液样本中的每一种标志物进行快速、准确且精确的检测。但如果所有生物标志物均需使用单台流式细胞仪进行检测，则会显著增加时间成本，并可能影响检测结果。在本方案中，精液样本采集后立即在37 °C条件下孵育以完成液化，随后采用膜联蛋白V-异硫氰酸荧光素（Annexin V-FITC）/碘化丙啶（PI）染色法分析精子凋亡情况。线粒体膜电位（MMP）使用5,5′,6,6′-四氯-1,1′,3,3′-四乙基苯并咪唑羰花青碘化物（JC-1）探针进行标记，而DNA损伤则通过吖啶橙（AO）染色的精子染色质结构分析法（SCSA）进行评估。因此，对精子功能标志物的流式细胞术分析可成为实验室和临床中诊断不孕症及评估精子功能的一种实用且可靠的工具。

图2展示了使用Annexin V-FITC/PI染色法检测精子凋亡。FITC信号（绿色荧光）在FL1通道中检测，PI信号（红色荧光）在FL2通道中检测。在Annexin V/PI双变量分析中，象限标记可识别出四类不同的精子群体。结果以Annexin V−/PI−精子（存活或活细胞）、Annexin V+/PI−精子（早期凋亡细胞或凋亡细胞）、Annexin V+/PI+精子（晚期凋亡细胞）和Annexin V−/PI+精子（坏死细胞）的百分比表示16,17（图2B）。同时使用阴性对照（未染色的精子细胞）进行补偿调节和象限设定（图2A）。
图3展示了使用JC-1探针检测人精子线粒体膜电位（MMP）的结果。MMP百分比通过分析流式细胞图中橙红色荧光与（绿色加橙红色）荧光的比值来表示。高质量的精液样本通常显示较强的橙红色荧光和较弱的绿色荧光（活性线粒体，左上象限）（图3A）。相反，低质量的精液样本通常表现为较弱的橙红色荧光和较强的绿色荧光（非活性线粒体，右下象限），这可能与线粒体功能受损有关（图3B）。
图4展示了SCSA13,14的数据。这些典型的SCSA流式细胞图来自两个独立样本。样本A来自一名生育能力正常的男性，样本B来自一名不育男性。流式细胞术数据的分析使用FlowJo软件进行。流式细胞图显示了SCSA数据中各组分的来源。x轴（红色荧光，具有1,024级红色荧光强度）表示断裂的DNA；y轴（绿色荧光，具有1,024级绿色荧光强度）表示天然DNA的染色能力。y = 750处的虚线代表正常精子的边界。y = 750线以上的精子具有部分未浓缩的染色质，被判定为未成熟精子。
<img alt="使用流式细胞术分析细胞制备和染色流程；凋亡、线粒体膜电位和精子染色质结构分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63790/63790fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：通过流式细胞术检测精子功能损伤生物标志物的工作流程。 精液样本的获取和预处理如方案步骤1所述。(1) 细胞制备，(2) 荧光试剂染色，以及(3) 流式细胞术分析与数据解读。缩写：MMP = 线粒体膜电位；SCSA = 精子染色质结构分析；PBS = 磷酸盐缓冲液；AO = 吖啶橙。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63790/63790fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
<img alt="流式细胞术示意图；荧光数据比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63790/63790fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：使用 Annexin V-FITC/PI 染色检测精子凋亡的代表性结果。 左下象限为 Annexin V-/PI− 精子（存活或活细胞），右下象限为 Annexin V+/PI− 精子（早期凋亡细胞或凋亡细胞），右上象限为 Annexin V+/PI+ 精子（晚期凋亡细胞），左上象限为 Annexin V−/PI+ 精子（坏死细胞）。(A) 阴性对照（未染色精子细胞）；(B) 一份含有精子凋亡的样本。缩写：FITC = fluorescein isothiocyanate；PI = propidium iodide。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63790/63790fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="流式细胞术点图比较样本A和B中的线粒体膜电位（MMP）" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63790/63790fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：使用JC-1探针检测线粒体膜电位。（A）高线粒体膜电位（MMP）的精子亚群。（B）低线粒体膜电位（MMP）的精子亚群。将FL1-A和FL2-A分别设为x轴（绿色荧光）和y轴（橙红色荧光）。缩写：MMP = 线粒体膜电位。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63790/63790fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="DNA断裂分析；散点图；精子DNA完整性；天然DNA染色性与DNA断裂之间的关系。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63790/63790fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
图4：利用精子染色质结构分析法检测人精子中的DNA损伤。（A）具有正常染色质结构的精液样本。（B）具有高比例染色质结构异常精子的精液样本。使用FlowJo软件对识别出的细胞群体设置计算机门控：1）正常精子，2）HDS精子，3）DFI精子，以及4）细胞碎片，并计算HDS和DFI精子的百分比。缩写：SCSA = 精子染色质结构分析法；HDS = 高DNA染色性；DFI = DNA断裂指数。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63790/63790fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本实验方案提供了一种实用方法，可利用单台流式细胞仪对人类精子的细胞凋亡、线粒体膜电位及DNA损伤进行检测。

常规精液参数分析被广泛用于评估男性生育能力。然而，研究发现约15%的不育患者并无……

该技术提供了一种实用的方法，通过流式细胞术在不显著影响实验质量的前提下，对多个精子功能生物标志物进行评估，避免了因长时间等待所导致的实验质量下降。该技术可作为诊断不孕症和在实验研究与临床实践中评估精子功能的一种实用且可靠的工具，并可补充常规精液分析。本实验在Accuri C6平台上完成，但经过少量修改后也可应用于其他商用平台。首先，将精液样本在37摄氏度下孵育，并完全液化一小时。为计数精子细胞，需充分混匀液化后的精液样本，然后取10微升精液加入精子计数板中，使用精子分析仪扫描载玻片。至少计数六个区域和400个精子，以估算精子浓度。为检测精子凋亡，采用annexin-5 FITC PI染色法，取10的6次方个精子细胞加入1.5毫升离心管中。用500微升预冷的PBS洗涤细胞。然后离心精子细胞悬液，弃上清液，再将细胞重悬于200微升结合缓冲液中。接下来，加入 2 µL FITC 标记的 Annexin V 和 2 µL 碘化丙啶（PI）。轻轻涡旋混匀细胞，室温避光孵育 15 分钟，然后置于流式细胞仪中进行分析。对于使用 JC-1 探针分析线粒体膜电位（MMP），将 2 × 10⁶ 个精子细胞加入 1.5 mL 离心管中并离心。离心后，将精子细胞沉淀重悬于 1 mL JC-1 工作液中。轻轻涡旋混匀细胞，在37摄氏度避光孵育20分钟。再次离心悬浮液，弃去上清液，并用1毫升PBS将沉淀洗涤两次。然后，将染色的精子细胞重悬于1毫升PBS中，置于流式细胞仪管内，立即放入流式细胞仪中进行分析。接下来，使用羰基氰化物-间氯苯腙（Carbonyl Cyanide m-Chlorophenylhydrazone，简称CCCP）作为阳性对照。将精子细胞重悬于1 mL CCCP工作液中，轻轻涡旋混匀，于室温孵育20分钟。孵育结束后，离心收集细胞悬液，弃去上清液，随后按照前述方法使用JC-1探针分析线粒体膜电位（MMP）。进行精子染色质结构分析（SCSA）时，将精液样本在37摄氏度水浴中解冻，并用TNE缓冲液稀释至浓度为每毫升1至2×10⁶个细胞。接着，取200 µL稀释后的样本加入流式细胞仪检测管中，与400 µL酸性溶液混合。再用1.2 mL吖啶橙溶液对样本进行染色。使用参考样品作为内部标准，用于流式细胞仪的设置和校准。用4°C的TNE缓冲液将样品稀释至每毫升1×10⁶到2×10⁶个细胞的浓度，并按照示范进行SCSA步骤。打开流式细胞仪软件并启动细胞仪。为采集样本数据，将对照样本上样至流式细胞仪，然后点击“运行”以开始数据采集。创建点图以查看数据。选择XY轴参数，并设置为线性显示以指定数据。然后，选择并应用多边形门控以圈定用于分析的精子群体。对于精子凋亡检测，将FL1设为X轴，FL2设为Y轴。接着，为了区分活的凋亡细胞或坏死细胞，点击并拖动象限门控，将精子群体进一步划分为四个特定的亚群。对于线粒体膜电位（MMP），将FL1设为X轴，FL2设为Y轴，然后创建一个多边形门，将精子群体划分为两个特定的亚群。对于精子染色质结构分析（SCSA），将FL4设为X轴，FL1设为Y轴。设定门控，调整45度角以排除细胞碎片信号。每份样本计算10,000个精子细胞，用于精子凋亡、线粒体膜电位（MMP）和精子染色质结构分析（SCSA）检测；设置运行上限以指示停止收集数据的时机，根据细胞数量设定流速和阈值，以消除碎片和噪声。所有样本均应用相同的设置。如有必要，设置颜色补偿以校正荧光溢出。上机前轻轻反复吹吸混匀样本，然后输入样本名称并点击运行。运行完成后，通过输入文件名将样本数据保存为 FCS 文件，以便进一步分析。此处展示了使用膜联蛋白 V-FITC/PI 染色法检测精子凋亡的结果。该分析包含了未染色精子细胞的阴性对照，用于设定补偿参数和象限划分。在存在精子凋亡的样本中，结果以活细胞、早期凋亡或凋亡细胞、晚期凋亡细胞以及坏死细胞所占的百分比表示。此处显示了线粒体膜电位（MMP）高和低的精子亚群。高质量的精液样本表现出较强的橙色荧光和较弱的绿色荧光。相反，质量较差的精液样本表现出较低的橙色荧光和较高的绿色荧光。此处展示了来自一名生育力正常男性和一名不育男性的SCSA细胞图谱。精子细胞群体被鉴定为正常，具有较高的DNA稳定性和DNA碎片指数，以及较多的细胞碎片。精液样本必须在37摄氏度下孵育，并完全液化，时间最长为一小时。

flow-cytometric-analysis-biomarkers-for-detecting-human-sperm

Research

科研

JoVE Journal

Medicine

医学

用于检测人类精子功能缺陷的生物标志物的流式细胞术分析

本视频文章逐步介绍了如何处理精液样本，以在人类精子上获得高质量的荧光原位杂交结果。所获得的样本可用于临床诊断背景下的非整倍体筛查。...

荧光 原位 人类精子中的荧光原位杂交（FISH）实验方案

卵子及其周围的胞外包被常会释放多肽、蛋白质和小分子，这些物质可与精子进行通讯，引导精子趋向卵子，从而促进受精。本文利用蛙类精子，描述并比较了两类用于检测精子趋化性吸引的实验方法——精子聚集实验和精子追踪实验。...

检测蛙类精子趋化性的两种测定方法

细胞内 Ca2+ 动态变化在精子生理学中具有重要意义，而 Ca2+ 敏感染料则为研究这些变化提供了多功能工具。通过群体实验（荧光测定法和停流荧光测定法）和单细胞实验（流式细胞术和单细胞成像），可用于追踪人精子细胞中时空性的 [Ca2+]...

使用四种技术测量人类精子细胞内 Ca2+ 的变化：常规荧光测定法、停流荧光测定法、流式细胞术和单细胞成像

本研究描述了一种从不同哺乳动物物种的睾丸组织中获取纯化生殖细胞群体的方法的标准化流程。该方法是一种简便的实验方案，结合了睾丸组织的机械解离、Hoechst-33342和碘化丙啶染色以及荧光激活细胞分选（FACS），在雄性生殖生物学的比较研究中具有广泛的应用价值。...

通过机械组织解离与流式细胞术对多种哺乳动物雄性生殖细胞进行标准化纯化的方法

本实验方案描述了一种利用计算机辅助精子分析系统和冷却装置进行鱼类精子评估的方法。该软件可根据精子的运动能力，快速、准确且定量地分析鱼类精子质量，可作为水产养殖中提高繁殖成功率的有用工具。...

利用软件与冷却装置进行鱼类精子评估

本文介绍了评估精子细胞膜完整性的方法，该细胞特征与精子的受精能力密切相关。我们描述了三种用于荧光检测精子膜的技术：特异性荧光探针的同步染色、荧光显微镜检查，以及专用于精子的流式细胞术。此外，还展示了这些方法联合应用的实例。...

用于评估精子膜的荧光测定技术

本文旨在描述密度梯度离心技术的操作方法及其在精子生理学研究中的应用。...

利用密度梯度离心法收集不同质量的精子

本文描述了两种用于评估化合物对人精子Ca2+信号传导和顶体反应影响的中通量检测方法。这些方法可用于快速、简便地筛选大量化合物对人精子Ca2+信号传导和顶体反应的影响。...

中等通量筛选实验用于评估对人精子Ca2+信号传导和顶体反应的影响

本视频展示了一种在死后眼球中有效区分和解剖人玻璃体各种半透明结构的技术。...

人眼玻璃体组织成分的分离以进行蛋白质组学分析

携带帕金森病致病基因突变的患者成纤维细胞是一种易于获取的 离体...

利用原代人类成纤维细胞监测帕金森病领域中的线粒体表型

学习使用流式细胞术评估人类精子功能生物标志物的方法，包括凋亡、线粒体膜电位和DNA损伤检测。该技术为不育症诊断提供了可靠工具，可应用于多种流式细胞仪平台。

流式细胞术分析用于检测人类精子功能缺陷的生物标志物

探索更多视频