畜產生物科技：借腹生子不稀奇
92/12/10
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李善男｜
行政院農業委員會畜產試驗所
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。
