CAS 见解报告：辅助生殖技术的新方法

执行摘要

辅助生殖技术（ART）彻底改变了生殖医学，通过从人工授精到前沿基因编辑等多种方法，为数百万面临生育问题的患者带来了希望。尽管诸如 体外 受精和卵胞浆内单精子注射等成熟技术在当今已得到广泛应用，但诸如 体外 配子发生、基因疗法和基于干细胞的疗法等新兴技术正在不断拓展可能性的边界。  

ART 是一个快速发展的领域，但某些新型和新兴技术在人类身上的应用仍处于高度实验阶段，受到严格监管，并伴随着伦理和法律挑战。许多 ART 领域的创新目前仅在动物模型上进行测试，但其中一些已成功过渡到人类应用，包括植入前遗传学检测、线粒体置换疗法、延时成像和 体外 成熟。此外，人工智能正在通过实现精确的胚胎选择、优化临床方案以及预测治疗结果，推动生殖医学的变革。  

本报告探讨了来自 CAS Content Collection^TM 的数据，旨在概述辅助生殖技术（ART）的研究进展，并识别关键的新兴概念与挑战，从而更好地理解 ART 如何塑造生殖医疗的未来。

目录

• 简介 ‍
• 现有方法 ‍
• 增长最快的方法 ‍
• 最具商业价值的方法 ‍
• 其他创新方法 ‍
• 动物模型研究 ‍
• 挑战与伦理考量

• 结论：辅助生殖技术（ART）的未来

辅助生殖技术现状：引言  

辅助生殖技术（ART）涵盖了旨在帮助个人和夫妇克服不孕不育挑战并实现受孕的广泛医疗技术。不孕不育 影响着 全球约 10-15% 的夫妇，这使得 ART 成为现代医疗保健的重要组成部分。  

ART 程序通常涉及对卵子、精子和胚胎的处理，以实现受精和植入。体外受精（IVF）和冷冻保存等技术现已成为全球生育诊所的标准操作。近年来，人工智能（人工智能）、基因检测和干细胞研究等新兴技术进一步完善了 ART，在提高成功率的同时，也应对了相关的伦理和社会影响。此外，诸如 体外 配子发生（IVG）等实验性创新，可能为无法产生自身配子的个体提供配子。  

然而，围绕各种 ART 创新仍存在许多伦理问题，且许多研究仍严重依赖动物模型。这种方法为生殖生物学及各种 ART 干预措施的效果提供了宝贵的见解，但也表明许多创新距离人类临床应用仍有很长的路要走。  

我们探索了来自 CAS Content Collection^TM的数据，这是全球最大的经人工收录的科学信息库，旨在概述 ART 的研究进展。自 2000 年以来，出版物数量的增长证明了学术界和工业界对这些创新的广泛兴趣，ART 相关出版物的数量在过去二十年中翻了三倍（见图 1）。

辅助生殖技术的现有方法

人类克服不孕不育的努力由来已久，最早可追溯至 1790 年记录的首例人工授精。首例通过 体外 受精实现的人类卵母细胞受孕发生在 1973 年，尽管最终以流产告终。1978 年，首例成功的 IVF 受孕并顺利分娩，到 20 世纪 80 年代，IVF 已成为主流。

超过 800 万 名婴儿通过 IVF 出生，ART 方法现已成为全球生殖医学中成熟的组成部分。最常见的传统方法包括：

• IVF 是人类生育治疗的基石，在全球范围内促成了数百万次分娩。IVF 包括使用促排卵药物进行卵巢刺激以产生多个卵子，通过微创手术取出成熟卵子，在实验室培养皿中将卵子与精子受精，并将所得胚胎移植到子宫内。目前，该技术已完全融入临床实践，成功应用于输卵管因素不孕、子宫内膜异位症、男性因素不孕和不明原因不孕症。 成功率 因年龄而异，35 岁以下女性的成功率最高（每个周期 30-40%）。  在对 CAS Content CollectionTM 的分析中，我们发现 IVF 占 ART 相关文献的最大比例（见图 2）。 ‍
• 人工授精 是一种将精子 引入 女性生殖道以促进受精和怀孕的医疗程序。采集精子样本后，经过清洗和浓缩以分离出健康的精子，然后在排卵期间直接置入子宫（宫腔内人工授精，IUI）或宫颈（宫颈内人工授精，ICI）。它主要应用于轻度男性不育、不明原因不孕或宫颈粘液问题。与 IVF 相比，它更简单且侵入性更小。成功率通常为每个周期 10-20%，具体取决于年龄和精子质量等因素。 ‍
• 配子输卵管内移植 (GIFT) 是一种通过将卵子和精子直接植入输卵管来帮助女性受孕的医疗程序。 在通过腹腔镜将卵子和精子植入输卵管之前，需先将两者采集并混合，从而使受精过程在体内自然发生。这种 方法 由于体外受精 (IVF) 技术的进步，如今已不太常用。  ‍
• 受精卵输卵管内移植 (ZIFT) 与体外受精 (IVF) 类似，但受精卵（合子）是被移植到输卵管而非子宫内。该方法适用于输卵管健康的女性不孕患者。它 结合 了体外受精和配子输卵管内移植的优势，但目前已不太常用。     ‍
• 冷冻保存（生育力保存） 是指将卵子、精子或胚胎等生殖细胞冷冻并储存，以备将来使用。目前，胚胎和精子的冷冻保存已成为常规程序，卵母细胞的冷冻保存也日益普及。该技术主要用于生育力保存，例如针对接受化疗或放疗的癌症患者、体外受精后剩余的胚胎，或因个人或职业原因推迟生育的人群。  ‍
• 卵子捐赠和精子捐赠 可以帮助无法自行产生健康卵子或精子的人群生育子女。卵子或精子由第三方捐赠，并用于体外受精 (IVF) 或宫腔内人工授精 (IUI) 等辅助生殖技术 (ART) 程序以实现妊娠。这种方法被高龄女性、同性伴侣或单亲家庭广泛采用。  ‍
• 代孕 涉及女性为他人或伴侣代孕并分娩，使用对方的胚胎（妊娠代孕）或其自身的卵子（传统代孕）。在传统代孕中，代孕者的卵子通过精子受精（经由人工授精或体外受精），使其成为生物学意义上的母亲；而在妊娠代孕中，代孕者携带的是通过体外受精（IVF）利用意向父母或捐赠者的卵子和精子所创造的胚胎，因此她与孩子之间没有遗传联系。  

增长最快的辅助生殖技术（ART）方法：人工智能与 体外 配子发生

传统的辅助生殖技术具有开创性，但也存在许多弊端，包括高昂的成本、生理和心理压力、健康风险以及伦理和法律问题。新的创新为不孕不育患者带来了更大的希望，我们对 CAS Content Collection 的分析显示，人工智能在辅助生殖技术中的应用以及 体外 配子发生（IVG）是过去三年（2022-2024 年）增长最快的新兴方法（见图 3）。

辅助生殖技术中的人工智能

在 胚胎筛选方面， 人工智能算法 分析 胚胎图像以评估其质量及成功植入的潜力。这些算法利用：

• 延时成像： 人工智能监测胚胎随时间的发育过程，评估形态、细胞分裂模式和动态等因素。 ‍
• 形态动力学数据： 算法通过识别肉眼无法察觉的细微特征，预测胚胎发育成健康妊娠的可能性。  

人工智能还有助于改善 精子筛选， 通过 识别 运动能力最强且形态正常的精子，并进行 DNA 完整性检查（评估精子中的 DNA 碎片化水平），从而选出最健康的候选精子。

机器学习模型分析多个数据点，以 预测体外受精（IVF）的成功率。包括患者病史（年龄、激素水平、生活方式因素）、临床数据（卵巢储备标志物、子宫内膜容受性）以及胚胎质量指标。人工智能可以 优化卵巢刺激方案 通过根据患者的具体反应个性化用药剂量，并 预测 卵巢对刺激的反应，从而降低卵巢过度刺激综合征（OHSS）的风险。 确定临床干预（如取卵和胚胎移植）的最佳时机对于辅助生殖技术（ART）周期的成功至关重要，研究人员已观察到人工智能驱动的模型带来了显著改善。

我们的分析显示，与人工智能驱动创新相关的专利有所增加，例如一项 专利 于2025年授予康奈尔大学，该专利利用机器学习和/或深度学习来分析和预测胚胎的倍性状态。Univfy最近也 申请了专利 用于评估患者IVF失败或获得中间治疗结果概率的计算机辅助方法。

人工智能驱动的 自动化 简化了 ART实验室的流程，包括监测和控制培养箱条件、标准化胚胎分级以最大限度减少人为错误，以及管理冷冻保存方案。通过利用 大型数据集 （来自临床和研究），以识别影响ART成功的趋势和因素，人工智能可以 识别模式 患者和胚胎数据，并改进治疗方案。 因此，人工智能在辅助生殖技术（ART）中的应用非常广泛，有望为许多患者带来更好的治疗效果。

辅助生殖技术中的体外配子发生（IVG）

IVG 是一项实验性技术，能够 利用体细胞（如皮肤或血液细胞） 制造精子或卵子。IVG 涉及将多能干细胞（PSCs），如胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs），分化为配子。这一过程模拟了配子发生的自然进程，即原始生殖细胞通过复杂的分子和细胞途径发育为成熟配子。该技术令人振奋之处在于，它能为那些无法产生可行卵子或精子的人群提供配子。

研究人员已在小鼠等动物模型中成功培育出功能性配子，并产下了健康的后代。然而，由于人类配子发生的复杂性以及重大的伦理考量，将这些技术转化应用于人类系统仍处于研究阶段。2024 年，京都大学的科学家们 利用诱导多能干细胞（iPSCs） 培育出了人类配子前体，但在该技术得到广泛应用之前，仍存在重大障碍。  

尽管 IVG 近期取得了突破，但伦理 问题 依然存在。在实施该技术之前，必须解决胚胎的创造与处理问题，即创造并丢弃大量胚胎所带来的伦理挑战。此外，在临床应用前，其安全性和有效性也需要经过广泛的验证。  

最具商业价值的方法：干细胞疗法与基因编辑

如图 3 底部的饼图所示，基因编辑和基于干细胞的疗法在所有文献中占据的专利份额最高（分别为 13% 和 10%），这表明了其极高的商业价值。  

基于干细胞的疗法

干细胞可以分化为生殖细胞类型，例如通过胚胎干细胞或诱导多能干细胞形成卵母细胞或精子；它们能分泌增强组织修复和细胞功能的旁分泌信号；并且能够整合到生殖组织中，促进结构和功能的恢复。

在辅助生殖技术（ART）中应用基于干细胞的疗法有望推动多项突破：

• 与年龄相关的卵巢储备功能下降是不孕症的主要原因。间充质干细胞和骨髓来源的干细胞已 展现出前景 在 卵巢组织再生、改善卵泡发生以及恢复激素平衡方面。
• 干细胞移植已展现出 潜力 在 恢复精子发生 方面，适用于无精子症或其他男性不育症患者。精原干细胞（SSCs）可被采集、培养并重新引入睾丸，以重新启动精子生成。  
• 阿舍曼综合征（Asherman’s syndrome）和子宫内膜过薄等病症对成功植入构成了重大挑战。目前已探索利用子宫内膜干细胞（ESCs）和间充质干细胞（MSCs）来 再生并增强子宫内膜容受性。
• 如前所述，通过 体外配子发生（IVG） 从多能干细胞中衍生配子（卵子和精子），为实现生物学意义上的为人父母开辟了新的可能性。

ART 中 使用 的各类干细胞总结于表 1 中。

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表 1： 辅助生殖技术（ART）中的干细胞类型。

基因编辑

辅助生殖技术中的基因编辑有望 减少遗传性疾病，改善胚胎选择，并提高生殖成功率。它可以纠正胚胎中与遗传性疾病相关的突变，例如囊性纤维化、镰状细胞贫血和 亨廷顿舞蹈症，从而防止这些疾病遗传给后代。基因编辑在辅助生殖技术中的另一项应用是 优化胚胎选择 ——通过将基因筛查与编辑相结合，可以选择具有最高植入和发育潜力的胚胎，从而提高胚胎质量。基因编辑还可以通过 识别并纠正导致不孕不育的遗传因素（例如染色体异常或影响配子功能的突变）来帮助解决不孕不育问题。

CRISPR-Cas9 系统是目前 最显著的 基因编辑工具。通过靶向特定的 DNA 序列，CRISPR-Cas9 可以实现基因的添加、删除或修改，使其成为解决体外受精（IVF）胚胎遗传性疾病的一项重要技术。

然而，由于存在产生“定制婴儿”的潜在风险以及不可预见的后果，该技术一直备受争议。目前，由于相关担忧，许多国家对人类基因编辑，特别是会影响卵子、精子或胚胎并可遗传给后代的生殖系编辑，实施了严格限制或禁令。  

该领域近期出现了一些值得关注的专利；例如，藤田学园（Fujita Academy）于 2024 年获得了一项专利，该专利涉及一种利用非编码 RNA 检测胚胎染色体非整倍体以进行不孕症治疗的方法。该流程对体外培养的胚胎进行检测， 体外 并通过机器学习创建细胞外 RNA 图谱，从而确定是否存在染色体非整倍体。  

辅助生殖技术（ART）中的其他创新方法

我们对 CAS Content CollectionTM 的分析揭示了辅助生殖技术（ART）中正在兴起的其他几种创新方法：

基因筛查

辅助生殖技术（ART）中最显著的趋势之一是整合了先进的基因筛查技术。 植入前遗传学检测 （PGT）已变得日益成熟，能够在胚胎植入前检测出胚胎中的染色体异常和单基因疾病。  

• PGT-A （非整倍体筛查）技术用于筛查染色体异常，这是导致植入失败和流产的主要原因。下一代测序（NGS）技术的进步提高了 PGT-A 的准确性和效率，从而提升了体外受精（IVF）周期的成功率。 ‍
• PGT-M （单基因疾病检测）用于识别携带特定基因突变的胚胎，使患有遗传性疾病的夫妇能够孕育健康的后代。CRISPR-Cas9 及其他基因编辑工具的发展，进一步增强了在胚胎阶段纠正基因缺陷的潜力。 ‍
• PGT-SR （结构重排检测）旨在为染色体易位或倒位的个体提供服务，帮助识别具有平衡染色体结构的胚胎。

这些进展不仅提高了成功妊娠的可能性，还降低了遗传疾病的传播风险，为生殖医学提供了更加个性化的方案。

线粒体置换疗法

线粒体置换疗法（MRT），也称为线粒体捐赠，是一种 技术 旨在防止线粒体 DNA (mtDNA) 疾病从母亲传给孩子。该技术涉及用捐赠者的健康线粒体替换卵子或胚胎中的缺陷线粒体。  

MRT 已被用于创造含有来自三个人遗传物质的胚胎：母亲、父亲和线粒体捐赠者（即所谓的“三亲婴儿”）。MRT 引发了与基因改造及对后代长期影响相关的伦理担忧。然而，对于希望拥有具有遗传关联子女的线粒体疾病女性而言，该程序具有积极意义。目前，这项技术在 监管 方面各国存在差异，一些国家在严格指导下允许使用，而另一些国家则予以禁止。  

如表 2 所示，MRT 与基因编辑之间存在一些关键差异：

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卵胞浆内单精子注射 (ICSI)

ICSI 是一种辅助生殖技术 (ART) 程序，涉及使用显微操作工具将活精子直接注射到成熟卵子的细胞质中。受精卵随后像在体外受精 (IVF) 中一样进行培养和移植。它是 IVF 的改良技术，也是治疗由精子问题（如精子数量少、活力差或形态异常）引起的男性不育症，或在既往 IVF 尝试失败时，最常用且最成功的治疗方法。其成功率与 IVF 相似，但 ICSI 可以显著 提高 男性不育病例的受精率。

改进的胚胎培养系统

改善胚胎培养系统的方法有很多，包括一种新型培养平台设计，它能为胚胎创造更好的微环境。研究人员还在探索包括抗氧化剂在内的新型培养基配方，以减少氧化损伤并改善囊胚发育，同时也在研究使用动态培养基流代替静态培养的灌注系统。  

以下方面的进展： 延时成像技术 以及优化后的 培养基 也实现了对胚胎发育的持续监测，从而能够更好地筛选胚胎进行移植，并提高植入率。

冷冻保存技术的增强

辅助生殖技术（ART）中的冷冻保存技术在多个方面得到了改进，包括 玻璃化冷冻，这是一种能防止冰晶形成的快速冷冻工艺，从而提高了冷冻配子和胚胎的存活率。研究人员还在开发改进和优化后的 冷冻保护剂；例如，使用气相液氮罐在氮气气相中储存组织，而非将其浸入液氮中，能为冷冻卵子、精子和胚胎提供更高的存活率。  

生育力保存创新

卵巢组织冷冻保存和人工卵巢开发等技术正在 不断进步，使面临影响生育能力的医疗治疗的个体受益。卵巢年轻化技术用于刺激卵巢产生新卵子，特别适用于卵巢储备功能减退或卵巢早衰的女性。该技术可能包括向卵巢注射富血小板血浆（PRP）以刺激组织修复和卵子产生，或注射干细胞以再生卵巢组织。目前该技术仍处于实验阶段，早期研究结果不一。  

非侵入式与自动化技术

延时成像技术无需人工操作即可持续监测胚胎，这不仅改善了胚胎的选择过程，还减轻了胚胎所承受的压力。 自动化 IVF 系统正被整合到实验室中，以提高受精和胚胎移植等流程的效率与一致性。为了最大限度地降低风险，研究人员正在开发非侵入性的基因检测形式，例如使用培养基而非侵入性活检来评估胚胎的遗传健康状况。  

人造子宫

关于体外发育（即 人造子宫 ）技术的研究，旨在支持胚胎在人体外发育。此类技术为因医疗或解剖学原因无法怀孕的个人提供了解决方案，并通过支持极早产儿的护理推动了新生儿医疗的发展。

动物模型中的辅助生殖技术（ART）研究

由于许多辅助生殖技术（ART）方法引发了伦理和法律方面的担忧，研究人员必须依靠动物模型来开发和优化这些技术。动物模型在 ART 研究中不可或缺，这归功于它们与人类在生物学和生理学上的相似性，以及它们在研究物种特异性生殖过程中的作用。此外，它们为研究生殖机制、测试新技术以及评估 ART 干预措施的安全性和有效性提供了一个受控环境。  

ART 研究中常见的动物模型包括：  

• 啮齿动物 （小鼠和大鼠），因为它们生殖周期短、易于进行基因操作且成本低廉。 ‍
• 家畜 （牛、羊和山羊），通过调整针对濒危物种的技术，它们有助于提高农业效率并促进野生动物保护。 ‍
• 非人灵长类动物 因为它们是生殖生物学方面最接近人类的模型。 ‍
• 斑马鱼，由于其体外受精和胚胎透明的特性，成为早期胚胎发育研究的独特模型。 ‍
• 野生动物 模型，通过增强遗传多样性和促进种群恢复，助力全球保护工作。  

动物模型在辅助生殖技术（ART）研究中仍然不可或缺，是确保人类应用安全有效的桥梁。表 3 对比了动物模型与人类所使用的技术：

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挑战与伦理考量

尽管辅助生殖技术（ART）方法前景广阔，但也带来了独特的挑战和伦理考量。由于许多程序的长期影响尚不明确，安全性必须予以重视。因此，在实施这些创新时，存在诸多令人担忧的领域：

• 胚胎相关伦理： 创建的胚胎数量超过需求，引发了关于如何处理剩余胚胎的担忧。 一些人认为销毁胚胎在伦理上存在问题。 ‍
• 父母与子女权利： 使用卵子和精子捐赠者以及代孕，在父母权利和子女了解其遗传起源的权利方面引入了法律和情感上的复杂性。 使用已故者的配子或胚胎，引发了关于知情同意以及所生子女福利的问题。 社会偏见和法律障碍可能会影响同性伴侣或单身人士获得辅助生殖技术（ART）的机会。 ‍
• 法律与监管问题： 各国在辅助生殖技术的实践和法律方面存在差异，导致了伦理上的不一致。前往辅助生殖技术法律更为宽松的国家的人们可能会利用法律漏洞，从而使伦理监督和执法变得复杂。 在辅助生殖技术中使用人工智能和遗传数据，也引发了人们对患者隐私和敏感信息可能被滥用的担忧。

或许最复杂的问题围绕着 遗传和技术伦理。在辅助生殖技术中使用的 CRISPR 等技术引发了 担忧 ，涉及改变人类遗传学所带来的意外后果、可遗传的改变以及社会影响。 事实上，对生殖系细胞所做的改变是可遗传的，这意味着它们会影响后代。这引发了伦理问题，因为后代无法对这些修改表示同意。  

人们担心基因编辑可能被用于 非治疗性增强 （例如，选择智力、外貌或运动能力），从而导致社会不平等和类似优生学的做法。此外，一些团体认为，改变人类 DNA 是“扮演上帝”或干扰自然过程。  

在辅助生殖技术创新能够广泛应用于临床环境之前，必须解决安全问题。同样，人们对 基因编辑 存在担忧，因为缺乏关于长期后果和可能的脱靶效应的充分数据。意外的突变可能会对个人和后代产生严重后果，因此在临床应用之前，充分了解其潜在的长期影响至关重要。即使是像 CRISPR 这样精确的基因编辑工具，有时也会在基因组中非预期的位置进行编辑（即“脱靶效应”），这可能会导致 不可预见的 健康并发症。  

监管机构正与科学界携手合作，旨在为基因编辑技术的安全与合乎道德的使用建立框架。公众参与关于基因编辑在伦理、法律和社会层面影响的讨论，其紧迫性日益凸显。世界卫生组织（WHO）已 呼吁 建立人类基因编辑研究的全球登记制度并加强监管，联合国教科文组织国际生物伦理委员会也已 建议 暂停生殖系基因编辑。

各国针对辅助生殖技术（ART）的规定各不相同。例如，英国在2023年批准了基于CRISPR的疗法，用于治疗镰状细胞贫血和β-地中海贫血等血液疾病，这标志着体细胞基因编辑迈出了重要一步。在美国，生殖系基因编辑虽未被明令禁止，但受到严格限制；而在包括欧洲多国和澳大利亚在内的许多其他国家，该做法是被禁止的。

辅助生殖技术的未来

辅助生殖技术领域的新兴技术正在不断突破生殖医学的边界，为面临不孕不育困境的个人带来希望，同时也引发了深刻的伦理和社会问题。从人工智能驱动的胚胎筛选到 体外 配子发生和基因编辑，这些进展有望重新定义为人父母的内涵。  

然而，将这些创新转化为临床实践，需要审慎考量其安全性、可及性及伦理影响，以确保其应用公平且负责。一旦某项辅助生殖技术创新在动物模型中取得成功，便会进入人体临床试验阶段，首先从小规模、严密监测的研究开始。延时成像和人工智能驱动的胚胎筛选等创新技术，均是在经过严格验证后，从理论或动物研究转向了人类临床应用。

围绕辅助生殖技术的问题错综复杂，在将更多此类突破性成果应用于临床实践之前，科学界仍有许多课题需要探索。然而，正如我们的分析所示，生殖技术的创新方法不仅是希望的灯塔，更是科学创造力的明证。

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