《Bioactive Materials》：Spatially resolved micromechanical characterisation of human testis tissue reveals distinct signatures across developing, adult and pathological tissue states
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为解决男性生殖健康持续下降、体外人类精子发生难以复制的问题，研究人员对来自成人（包括接受mTESE手术和性别确认手术的患者）及发育（胎儿和青春期）队列的人类睾丸组织，利用纳米压痕和动态力学分析，开展了空间分辨的微机械特性表征。研究发现，组织杨氏模量介于0.1-1 kPa，曲细精管比间质空间刚度更高，损耗角正切值与成人队列的精子发生状态呈显著负相关。本研究为改善男性不育诊断和构建更具生理代表性的体外精子发生模型提供了关键的机械参数框架。
全球男性生殖健康正面临严峻挑战，其标志之一是过去几十年来精子浓度的持续显著下降。同时，男性不育症病例也在不断增加，但在近半数病例中，即使经过临床评估，其原因仍不明确。为了攻克男性不育症，科学家们一直致力于构建能够准确模拟人体睾丸功能、特别是复杂精子发生过程的临床前模型。然而，现有的体外或离体模型，无论是动物模型、离体组织块培养，还是近年来兴起的睾丸类器官、生物打印或“睾丸芯片”等先进三维培养技术，都尚未能成功地在体外重现人类完整的精子发生过程。其中一个常被忽视的关键因素是，这些模型普遍缺乏对人体睾丸内复杂机械微环境的精确模拟。大量研究已证实，生长基底的机械特性（如弹性、粘弹性）深刻影响着细胞的自我更新、分化、形态等多种关键功能。遗憾的是，由于缺乏对人类睾丸组织自身在不同发育阶段、健康与疾病状态下微观机械特性的系统认知，设计和优化具有生理相关性的睾丸模型材料基底一直缺乏关键依据。为此，来自利默里克大学伯纳尔研究所的研究团队在《Bioactive Materials》发表了一项开创性研究，首次系统地、在空间分辨率上描绘了人类睾丸组织的微机械特性图谱，为理解精子发生的物理微环境、开发新的诊断工具和构建更仿生的体外模型奠定了基础。
为开展这项研究，研究者们运用了几个关键技术方法。首先，他们构建了三个不同来源的样本队列：来自接受性别确认手术的成人患者、接受显微外科睾丸精子提取手术的非梗阻性无精子症成人患者，以及代表发育阶段的胎儿和青春期前个体。其次，研究的核心是纳米压痕技术，这是一种能对组织进行微米级动态力学分析的先进技术。研究者通过此技术，并结合组织学分析（如H&E、Masson三色染色和免疫荧光染色），在空间上绘制了睾丸组织的弹性（杨氏模量）和粘弹性（储存模量、损耗模量及损耗角正切值Tan(δ)）参数图谱。最后，他们将获取的微机械数据与患者的临床信息（如约翰森评分、激素水平等）进行了统计学关联分析。
结果部分的主要发现如下：
3.1. 人类睾丸组织的微机械特性在发育、mTESE和GAS队列中存在差异
研究分析了总计43个睾丸组织样本。整体上，所有组织的杨氏模量（即刚度）介于0.1至1 kPa之间。储存模量在所有队列中均高于损耗模量，表明睾丸组织主要表现为弹性固体而非粘性液体。Tan(δ) > 0则证实了其粘弹性特性。来自性别确认手术队列的组织，其储存模量、损耗模量和杨氏模量均显著高于显微外科睾丸精子提取和发育队列。
3.2. 发育过程中睾丸的细胞外基质组织发生变化，但微机械特性无年龄依赖性改变
对发育队列的分析显示，从胎儿到青春期，睾丸结构经历了显著重塑，曲细精管逐渐成熟，细胞外基质蛋白的表达也随年龄变化。然而，微机械特性与年龄之间并未显示出显著相关性，提示在发育过程中，睾丸的宏观结构重塑并未直接转化为可测量的微观力学性质变化。
3.3. 人类睾丸组织的微机械分析揭示了成人队列中曲细精管和间质空间之间的区域差异
通过空间分辨的微机械图谱，研究明确区分了曲细精管和间质空间这两个功能不同的区域。在所有成人样本中，曲细精管的杨氏模量、储存模量和损耗模量均显著高于周围的间质空间。同时，曲细精管的Tan(δ)值显著低于间质空间，表明其力学行为更具弹性。这突显了睾丸组织内部存在显著的微机械异质性。
3.4. 冷冻保存会引起人类睾丸组织微机械特性的患者特异性变化
通过对比同一患者新鲜与冻存组织的微机械特性，研究发现冷冻保存的影响是患者特异性的。部分患者的冻存组织杨氏模量显著降低，部分则升高，还有的保持不变。然而，在队列整体水平上，未观察到冷冻保存引起的显著变化。
3.5. 显微外科睾丸精子提取样本的粘弹性特性与生育状态和临床参数相关
将显微外科睾丸精子提取队列的微机械参数与临床数据关联分析发现，Tan(δ)值与约翰森评分（衡量精子发生活性的组织学指标）呈现近乎完美的负相关，其相关性甚至强于临床上常用的促卵泡激素和睾酮水平。Tan(δ)值越低，组织的弹性行为越强，与更高的精子发生活性相关。
3.6. 性别确认手术队列中进展性的小管壁增厚伴随细胞外基质组织破坏、生殖细胞减少和微机械特性改变
性别确认手术队列的样本表现出广泛的形态学差异，从具有完整精子发生到小管壁完全增厚。研究发现，随着小管壁增厚程度的加剧，胶原蛋白I和VI成为增厚壁的主要成分，而胶原蛋白IV结构得以保持。同时，伴随支持细胞和生殖细胞的减少。在微机械特性方面，仅Tan(δ)值在“精子发生完全/停滞”亚组与“轻微增厚”亚组之间存在显著差异，前者更具弹性。同样，在该队列中，Tan(δ)值与约翰森评分也呈显著负相关。
研究结论与重要意义
本研究首次系统地报告了人类睾丸组织在发育、成人和不同病理状态下的空间分辨微机械特性。其核心结论是，睾丸组织的机械特性呈现高度区域异质性（曲细精管更“硬”更“弹”），且与精子发生状态紧密相关，特别是Tan(δ)值作为一个强有力的粘弹性指标，与精子发生活性呈显著负相关，其诊断潜力甚至超过了传统激素指标。这一发现不仅支持了利用剪切波弹性成像等无创技术进行男性生育力评估的价值，还提示未来的诊断技术应考虑纳入组织的粘弹性信息。
更重要的是，这项研究为构建更精准的体外睾丸模型提供了关键的“机械蓝图”。数据显示，人类睾丸细胞所处的微环境（~0.1-1 kPa）比传统细胞培养板柔软数个数量级，且具有粘弹性。这提示，在开发用于支持精子发生的三维培养体系（如类器官、生物打印支架）时，必须考虑基底的力学仿生性，选择杨氏模量匹配、具有一定粘弹性的材料（如基质胶、脱细胞细胞外基质水凝胶），才能更好地模拟体内微环境，促进生殖细胞的存活、增殖和分化。此外，研究对性别确认手术队列样本的详细表征，为理解激素干预下睾丸组织的病理重塑（如小管壁纤维化）提供了新见解，并将这类组织定位为研究精子发生障碍和开发体外模型的重要细胞来源。总而言之，这项工作填补了人类睾丸组织基础生物力学数据的空白，是连接男性生殖生物学基础研究与临床不育症诊断治疗、再生医学应用之间的重要桥梁，对推动该领域的发展具有深远意义。
