该研究应用国产数字全息显微镜（Digital holographic microscopy，DHM）技术，突破性地对畸形精子症患者精子头部形态进行三维定量分析，揭示畸形精子这一特殊人类表型与捐精者正常形态精子三维结构上的差异。评估精子头部完整的结构和组成信息有应用于临床实践的潜在价值，尤其是精子头部结构与精子受精能力、胚胎发育之间的关系值得进一步深入研究。

论文DOI链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-022-00046-1

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https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s43657-022-00046-1.pdf

研究背景

DHM技术是数字全息技术在显微领域的应用，利用计算机算法代替传统光学显微镜中的成像透镜，并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅（光强）信息，进而完成数字三维重构 。

利用该技术观察活的生物细胞，可以获得细胞在培养基或自然状态下的形态结构、生理病理特征、细胞周期、细胞凋亡等信息，对早期生物医学诊断和药物开发具有积极意义 。在以往的人类精子头部形态观察中，通常使用光学显微镜进行染色观察，只能获得精子的长宽二维结构信息。而在该研究中，研究人员利用DHM对精子进行三维定量观察，获得了更多的精子头部信息。

研究结果

畸形精子症患者的头部畸形精子普通Diff-Quik染色结果如下图：

而通过DHM对畸形精子进行三维成像结果如下图：

捐精者的正常精子形态普通Diff-Quik染色结果如下图：

通过DHM对正常形态精子进行三维成像结果如下图：

该研究中，通过全息图系统定量射线透照精子头部，结果表明，畸形精子组精子头部高度明显低于正常精子组，而两组间精子头部宽度无显著差异。

研究结论

该研究属于探索性研究，揭示了畸形精子头部结构三维外观的差异，提示在原有的微观结构观察和检查方法的基础上还有较大的改进空间。精子头部全息成像可以获得全方位的信息，同样对精子尾部的三维结构分析也是如此，然而观察结果显示，精子尾部的三维结构与普通显微镜下观察到的没有明显差异。

畸形精子症精子头部高度差异的原因目前尚无明确定论。研究者推测精子头部内结构不同可能导致了外观的差异，而精子头部高度等的异常部分可能是由于精子染色质浓缩不完全所造成的。这些改变均可能导致精子头部相移的差异。

Abstract

The head of sperm was imaged with domestic digital holographic microscopy (DHM), and then the quantitative three-dimensional size information of normal sperm and teratozoospermic sperm was compared and analyzed. DHM sperm imaging and repeated quantitative evaluation were used to determine the morphology of the sperm head in two patients with teratozoospermia and four volunteers with normal semen parameters. Sixty and 139 sperm of teratozoospermia patients and normal people were photographed by digital hologram, respectively. The differences in head height and width were compared and statistically analyzed. The sperm head height of the teratozoospermia group was 3.06 ± 1.66 μm, which was significantly lower than that of the normal sperm group (4.54 ± 1.60 μm, p < 0.01), but there was no significant difference in the head width between the two groups. Compared with the traditional two-dimensional optical microscope observation method, the DHM system can provide three-dimensional quantitative information for the sperm head and thus may help in the comprehensive clinical evaluation of the sperm head structure.

团队介绍

复旦大学附属妇产科医院、复旦大学人类精子库江峰主任为该论文通讯作者。该研究得到了上海市市级科技重大专项“国际人类表型组计划（一期）”（项目编号：2017SHZDZX01）的资助。

复旦大学人类精子库于2018年获得上海市卫生健康委员会批准开展运行，是我国第26家人类精子库，位于上海市黄浦区的复旦大学附属妇产科医院内，是全国首家以基因组筛查来指导优生优育的人类精子库，汇集了上海泌尿外科/男科学界优秀中青年人才，现有科室高级职称3人、中级职称1人，精子库主任张锋教授曾获得科技部中青年科技创新领军人才（2018），首届“转化医学奖励计划”转化医学创新奖（2018），上海卫生系统青年人才最高荣誉奖银蛇奖（2019）。此外，积极开展男性生育力评估和外供及自精保存、常见遗传病基因突变筛查和心理评估致力于男性健康的全程管理。

科室承担多项国家及省部级课题。多名专家任职中华医学会和中国医师协会相应分会委员、美国男科学会委员、亚洲男科学会青年委员等。

主要研究方向：

（1）男性畸形精子症；

（2）基因组结构变异的突变机理；

（3）精子冻融技术；

（4）精子库管理含遗传及心理；

（5）男性不育和性功能障碍诊疗等。

Phenomics期刊简介

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本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

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