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畜產生物科技:借腹生子不稀奇

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胚的大量供應

生物技術已公認是二十一世紀的明星產業,它主導了國家生物尖端科技的發展。在畜產科技應用上,胚胎工程又是生物技術領域中極為重要的一環,其應用面甚廣,涵括胚的生產體系研發以及其應用。自從前列腺素在一九七五年由美國食品藥物管理局批准使用後,畜牧業的胚移置技術,即於一九八○年代開始快速地發展。牛胚的生產已是本世紀家畜繁殖的主要技術,它兼具效率高、應用廣的特性,所謂生物工廠即指此意。

胚的生產可分為兩大體系:其一為體內生產,其二為體外生產;體內生產即一般利用超級排卵取得胚的方式,體外生產則包含了經由屠宰場取得卵巢,或利用超音波掃描卵巢的取卵技術經由活體取得。胚的生產系統不但為家畜的遺傳改良提供捷徑,也為胚胎工程發展,提供了大量的研究素材。

家畜的胚移置技術已有百年歷史(兔,一八九○年),所謂借腹生子就是胚移置的意思。一九三○年代以後,這項技術應用在許多家畜身上已獲得成功,例如綿羊、山羊(一九四九年)、豬、牛(一九五一年)及馬等。而商業化的應用則始於一九七七年,畜牧業先進國家的胚移置公司,有如雨後春筍般成立,其目的乃在利用優良的母畜,大量繁衍其後代。將受精後七至八天的早期胚,移置到發情同期化,而且生理條件一致的另一頭受胚母牛子宮角內,完成懷孕。在台灣,牛胚移置技術雖起步較晚,也在一九八二年有了首例誕生,近年來每年仍有約百頭的胚移置小牛誕生。

胚體內生產

胚體內生產涉及的基本技術,包括超級排卵以及發情同期化。牛隻成長約七月齡後可見第一次發情,動情周期為21天,每次發情僅排一個卵,偶有例外。由於母牛最多僅能年產一胎,一生中的產犢數很有限,若要一次發情時能排多個卵,必須對供胚牛進行超級排卵處理。

超級排卵是胚體內生產的關鍵技術,同時也因受到不同因素的影響而有排卵反應的差異。其主要是利用濾泡激素來誘發,一頭牛經超級排卵處理後,平均一次可獲得五個可供移置的優質胚,台灣的最高紀錄曾達到32個。簡言之,若將此胚同時移置到32頭發情同期化的受胚母牛中,如果懷孕率為50%,即表示會有16頭經胚移置的小牛同時誕生,其生產效率之高不言可喻。乳牛一生中,平均大約生產七至八胎即被淘汰,而一頭牛一年之中可以進行三次超級排卵,每年平均可獲得15個胚,相當於可生產七至八頭小牛,小牛產值與其一生相等。

胚體外生產

「體外」一詞源自拉丁文「in vitro」,其原意就是「在試管內」。世界上第一次將精子與卵子共置於玻璃試管或試皿內進行受精試驗,而非在體內時,即被稱之為「in vitro」受精。

初生母牛的卵巢中,約含有十至三十萬個卵母細胞,隨著成長過程,卵巢逐漸增大,重量亦隨之增加。卵母細胞的來源可以經由屠宰場取得的卵巢,採集卵巢上未成熟的卵母細胞,經體外培養使其成熟,或應用超音波掃描以觀察濾泡發育狀態,自活體吸取卵母細胞。

胚的體外生產系統包含:卵的體外成熟、體外受精及胚的體外培養等三大部分。早期研究體外受精技術甚為困難,一九九○年時,美國及加拿大經由體外受精生產的小牛,總數不超過一百頭;臺灣則在一九九八年十月九日,誕生了第一頭經由體外受精生產的小牛。

活體取卵是近十年來新發展的技術,經過不斷地改善,已經有商業化的儀器與設備供應。這些設備需要超音波儀,並配備固定功率的探頭,以及真空幫浦和採卵針。從超音波儀看到小濾泡時,立即將採卵針刺進小濾泡,負壓作用即將濾泡液和卵母細胞吸入離心管內。母牛每周以採集兩次所得的卵母細胞品質較好,數量也較多。平均每次約可收集到10個卵母細胞。

當牛隻發育成長,排卵前卵子重新進行減數分裂,使核增大。濾泡成熟的過程,需經過初級、次級、三級的發育階段,最後始成為成熟濾泡,當卵子由成熟的濾泡排出時稱為排卵。

在濾泡成熟的後期,卵母細胞也逐漸成熟,細胞核亦進行減數分裂,達到第一次減數分裂中期的階段,稱為初級卵母細胞。初級卵母細胞再經一次減數分裂,即分裂為次級卵母細胞以及一個稱為第一極體的較小細胞,此時達到第二次減數分裂中期。細胞分裂的過程中,當有第一極體排出時,即顯示核已達到成熟,可以準備受精,這是重要的標記,利用立體顯微鏡即可觀察到。發育成熟的次級卵母細胞,經排卵並被精子受精後,再繼續完成其減數分裂,直到排出第二極體後才會進行一般細胞的有絲分裂,發育成為早期胚。

從屠宰場取得的卵母細胞,必須經過體外成熟階段才能進行受精。體外成熟的培養液一般採用組織培養液如TCM199,另外再添加胎牛血清,它有促進卵子體外成熟及確保較佳的卵裂效果。

精子與卵發生受精作用之前必先經過獲能,這是一個非常複雜的精子生理變化過程。在體內受精情形下,精子必須先在雌性生殖道中,經過數小時的獲能準備才有受精的能力;在這段期間中,精子發生的生理生化改變,包括去除精子表面附著的抗原物質,以及進行頭帽反應,尤其是在頭帽內至少要有四種酵素的激活和釋放。精子欲穿過卵子的透明帶,必須要靠這些酵素來溶解卵丘細胞團及透明帶。

體外精子獲能的方法,主要是靠添加肝素或是咖啡因來處理。凡能促使鈣離子進入頭帽的刺激,均可誘發獲能。

體外受精即是將已經完成獲能的精子和成熟的卵母細胞,共同置於受精用溶液中,然後將之靜置於二氧化碳培養箱中培養48小時。

受精完成並卵裂為二至四細胞的受精卵稱為胚。經體外受精後的早期胚,在繼續卵裂發育的過程中,會發生發育阻滯現象。不同的動物出現細胞發育阻滯的時期不同,牛羊為八至十六細胞期,豬為四細胞期,小鼠為二細胞期。因此如何克服牛的細胞發育阻滯現象,確保其發育能越過十六細胞期,是早期研究的重點。最早是利用兔子的輸卵管,將受精完成並卵裂的牛胚,移入已結紮的兔子輸卵管中,移植後第五天,再從兔子的輸卵管回收已發育至桑椹期或囊胚期的胚,再進行胚移置到受胚牛。

目前用來克服早期胚在體外發生發育阻滯的方法,是採用細胞共培養系統。將胚與卵丘細胞、輸卵管上皮細胞或子宮上皮細胞等體細胞共同培養,即可克服發育阻滯現象,使胚能繼續發育,直到成為桑椹期或囊胚期,再做移置。

當母牛的生理周期與胚發育階段不一致時,移入的胚不能順利發育,而導致懷孕失敗,因此必須利用內泌素對牛隻進行處理,來調整母牛的發情周期使之同期化。其目的在使母牛於預定的時間集中發情,以便實施有計畫的胚移置工作,提高受胎率。

同期發情處理應用的內分泌素有多種選擇,最常用的是前列腺素;其功能是當卵巢有黃體存在時,經注射前列腺素後即被消解,於是在二至三天內又能誘發一個新的發情周期,因此能掌控排卵時間及胚移置的最佳進行時機。

當新鮮胚移置時,供胚牛與受胚牛的卵巢和子宮生理狀態亦必須一致,才有利於未來胚的持續發育及著床。胚在發育早期和子宮組織間尚未建立密切的關係,此一階段的發育,基本上是依靠本身儲存的養分,所以沖洗子宮後取得的胚,較易存活,一旦放回與供胚牛相似的受胚牛的子宮環境中,移置的胚即能繼續發育。

供胚牛與受胚牛的發情同期化程度,差異不得超過六小時,否則會降低受胎率;也就是說,供胚牛在發情、配種後七至八天取胚,受胚牛也應在相同時間接受移置。

在大型哺乳動物採用非手術法移置技術,此技術從一九七六年以後即廣泛應用於牛。牛胚移置的器材與人工授精相似,僅有口徑較小與長度較長的差異而已。移置前,將胚放入胚管並且裝入移置器;移置時,自生殖道插入移置器直到子宮頸外口,另一手則深入直腸找到子宮頸,緩緩配合將移置器送入子宮角內,並在預定的位置將胚注入。

生物工廠的未來

乳牛利用超級排卵及胚移置等操作技術,可在短期間內生產許多遺傳性能優異的種畜後代,加速遺傳改進的速率。同時,胚體外生產的科技亦提供了另一重要的胚源,這是生物工廠的濫觴。利用胚體內與體外生產系統、胚顯微操作等技術,與分子生物學結合,並且擴大應用的範圍,因而促進了一系列人工生殖科技的快速發展。
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