這項突破最終可能開啟男性避孕的大門

「精子新陳代謝很特別，因為它只專注於產生更多能量來實現一個目標：受精，」生物化學和分子生物學系助理教授、該研究的資深作者梅蘭妮·巴爾巴赫(Melanie Balbach)說。

在射精之前，哺乳動物精子保持低能量狀態。一旦進入女性生殖系統，就會迅速轉變。它們開始更有力地遊動並調整最終與卵相互作用的外膜。這些變化需要能源產量的突然大幅增加。

「許多細胞類型都會經歷從低能狀態到高能量狀態的快速轉變，而精子是研究這種代謝重編程的理想方法，」巴爾巴赫說。她於 2023 年加入密西根州立大學，以拓展她在精子代謝方面的開創性工作。

追蹤為濃縮過程提供燃料的燃料

在威爾康奈爾醫學院的職業生涯早期，巴爾巴赫幫助證明了阻斷對精子至關重要的酵素會導緻小鼠暫時不孕。這項發現凸顯了非荷爾蒙男性節育的可能性。

儘管科學家知道精子需要大量能量來準備受精，但這種增加背後的確切機制至今仍不清楚。

巴爾巴赫的團隊與紀念斯隆·凱特琳癌症中心和範安德爾研究所的合作者合作，開發了一種方法來追蹤精子如何處理葡萄糖，精子從周圍環境中吸收葡萄糖並將其用作燃料。

透過繪製細胞內葡萄糖的化學途徑，研究人員發現了不活躍精子和活躍精子之間的明顯差異。

「你可以把這種方法想像成把汽車的車頂漆成亮粉色，然後用無人機跟踪這輛車穿過交通，」巴爾巴赫解釋道。

「在活躍的精子中，我們看到這輛塗漆的汽車在交通中移動得更快，並且具有明顯的道路偏好，我們甚至可以看到汽車傾向於停在哪些十字路口，」她說。

利用密西根州立大學的質譜和基礎代謝組學等資源，團隊拼湊出了精子實現受精所依賴的多步驟、高能量過程的詳細圖片。

醛縮酶和精子代謝的控制

研究發現，一種稱為醛縮酶的酶在將葡萄糖轉化為可用能量方面發揮關鍵作用。研究人員還了解到，精子依賴它們開始旅程時已經攜帶的內部能量儲備。

此外，一些酵素充當調節劑，指導葡萄糖如何通過代謝途徑並影響能量產生的效率。

巴爾巴赫計畫進一步研究精子如何依賴不同的燃料來源（包括葡萄糖和果糖）來滿足其能量需求。這一系列研究可能會影響生殖健康的多個領域。

不孕症和非荷爾蒙節育的影響

不孕症影響全世界六分之一的人。巴爾巴赫認為，研究精子代謝可以帶來更好的診斷工具和改良的輔助生殖技術。

研究結果也可能支持新避孕策略的開發，特別是非荷爾蒙方法。

「更了解精子活化過程中的葡萄糖代謝是重要的第一步，我們現在的目標是了解我們的發現如何轉化為其他物種，例如人類精子，」巴爾巴赫說。

「一種選擇是探索我們的一種『流量控制』酶是否可以安全地作為非荷爾蒙男性或女性避孕藥，」她補充道。

大多數生產男性避孕藥的努力都集中在阻止精子的產生。這種策略有缺點。它不能立即提供按需不孕症治療，而且許多選擇依賴可能導致嚴重副作用的荷爾蒙。

巴爾巴赫的最新研究提出了一個替代方案。透過使用基於非荷爾蒙抑制劑的方法來靶向精子代謝，如果需要，可以暫時破壞精子功能，同時最大限度地減少不良影響。

「目前，大約 50% 的懷孕是計劃外的，這將為男性在生育方面提供更多選擇和權力，」巴爾巴赫說。 「同樣，它為那些使用女性避孕藥的人創造了自由，女性避孕藥是基於荷爾蒙的，很容易受到副作用的影響。

“我很高興看到我們能找到什麼以及如何應用這些發現。”

為什麼這很重要？

• 精子必須顯著提高能量水平才能完成到達卵子的艱辛旅程並實現受精。
• 科學家現在發現了精子如何利用周圍環境中的葡萄糖來為這種激增提供動力，揭示了其快速轉變背後的燃料來源。
• 這項發現加深了我們對生殖生物學的理解，並可能為更好的不孕症治療和創新的非荷爾蒙節育選擇打開大門。

該研究發表於 美國國家科學院院刊 由國家兒童健康和人類發展研究所支持。