精子-卵子细胞相互作用检测与IVF结局的相关性研究*
2014-04-22孙宝刚王丽霞曹井贺梁鲁南杨爱军王雪楠牛焕付
孙宝刚 王丽霞 曹井贺 梁鲁南 杨爱军 王雪楠 牛焕付
济宁医学院附属医院(济宁 272000)
精子-卵子细胞相互作用检测与IVF结局的相关性研究*
孙宝刚 王丽霞 曹井贺 梁鲁南 杨爱军 王雪楠 牛焕付
济宁医学院附属医院(济宁 272000)
目的研究男性不育患者的精子功能;探讨精卵结合检测在体外受精、胚胎移植术(in vitro fertilization and embryo transfer, IVF-ET)助孕中的应用价值。方法 收集在济宁医学院附属医院生殖医学科就诊并行IVF治疗的89例男方患者,根据不孕不育原因分为男性不育组(A组)44例和完全女方因素引起的不孕不育组(B组)45例,将A组随机分为A1组和A2组各22例分别行IVF-ET与卵胞浆内单精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)受精,将A1组受精率小于30%的行早期补救。将两组男方的精子利用废卵分别进行精卵结合实验和透明带诱发精子顶体反应实验。观察A组与B组平均精卵结合数和透明带诱发精子顶体反应情况,比较分析两组受精率、卵裂率、优质胚胎率及临床妊娠率的差别,分析透明带诱发精子顶体反应率与受精率的关系。结果A组平均精卵结合数(65.84±10.27)和透明带诱发精子顶体反应率[(43.87±17.65)% ]明显低于B组的平均精卵结合数(89.93±8.73)及透明带诱发精子顶体反应率[(79.48±14.45)% ],差异具有统计学意义(P<0.05);A1组的受精率(43.37%)明显低于B组(73.21%)和A2组(66.19%),差异具有统计学意义(P<0.05);而经补救ICSI后A1组受精率为63.36%,与B组和A2组相比,差异无统计学意义(P>0.05)。A1组的优胚率(41.35%),与A2组(50.74%)及B组的优胚率(58.11%)相比,差异无统计学意义(P>0. 05);A2组的受精率及优胚率与B组比较,差异也无统计学意义(P>0.05);A组的妊娠率(43.18%)与B组(48.89%)相比,差异无统计学意义(P>0.05);A1组的受精率与透明带诱发精子顶体反应率具有明显的相关性,有统计学意义(r=0.889,P<0.01)。结论精卵结合及透明带诱发精子顶体反应是有重要意义的精子功能检测实验。开展精卵结合试验以及透明带诱发精子顶体反应试验能够更好的预测精子的受精能力,为临床治疗提供更有价值的信息。早期补救ICSI可以有效避免完全不受精或低受精率的情况,可以显著改善实验室及临床结局。
不育, 男性; 顶体反应; 精子注射, 细胞质内; 受精, 体外
目前,全球约10%~15%的育龄夫妇有生育障碍,其中男性因素占30%~50%[l],目前,大多数的生殖中心主要通过常规的精液分析结果来判断患者,从而选择IVF还是ICSI治疗。然而精液的常规分析仅仅能够测定精子的密度,活动率及其形态,并不能准确的反映出其他的功能,像精卵结合能力和透明带诱发顶体反应能力等。
一般而言,对于精液参数严重异常的夫妇,我们通过ICSI治疗;对于精子参数轻度异常的夫妇,在进行常规的IVF治疗时会有10%~20%完全受精失败或低受精(受精率<30%)情况发生,有研究显示在IVF受精失败的病人中,约有70%病例是由于精子与透明带结合障碍所引起[2]。因此,用精子与透明带结合试验来预测精子受精能力具有很大的临床意义,可以帮助选择IVF或ICSI治疗病人,以期获得良好的妊娠结局[3]。
对象与方法
一、研究对象
收集在济宁医学院附属医院生殖医学科就诊并行IVF治疗的男方精液,根据不孕不育原因分为完全男方因素引起的不孕不育组(A组)(精子浓度≤15 ×106/mL,总活力为[前向运动(PR)+非前向动动(NP)]<40%或PR<32%;精子总数≤39×106/次;精子畸形率<96%(按《世界卫生组织人类精液分析实验室技术手册》第5版,正常精子形态百分比<4%)。和完全女方因素引起的不孕不育组(B组)(女性不孕因素有输卵管因素(其通过HSG或者宫腔镜、腹腔镜手术以及超声检查证实)。
二、方法
(一)控制性超促排卵
实验组与对照组女方均选择长方案超促排卵于前次月经黄体中期肌注促性腺激素释放激素激动剂(gonadotropin-releasing hormone agonist, GnRH-a)0.03~0.1mg,月经第3天开始使用促性腺激素(gonadotropin, Gn)150~225 IU 共5d促排卵,月经第5天起,行阴道B超检查卵泡和子宫内膜发育情况,并以此及时调整用药。直至有2~3个主导卵泡直径在18mm以上时,结合激素检测结果提示卵泡发育成熟,停用促排卵药物,于当日注射人绒毛膜促性腺激素(human chorionic,gonadotropin, HCG)5 000~10 000u。注射HCG后34~36h在阴道B超引导下穿刺取卵,记录取卵数。
(二)精子处理
将实验组与对照组的男性精液标本采用密度梯度分离法分离:其具体步骤为:取精子密度梯度分离培养基,吸取1ml下层(高密度)分离培养基置于离心管中,再吸取1ml上层分离培养基(低密度)缓慢地注于下层分离培养基的上面.两层培养基的中间形成一个清晰的界面,37℃培养箱复温。小心吸取1ml培养基化的精液覆盖于上层分离培养基的液面。以(300~600)×g的速度离心20min。移去所有的分层溶液,只剩底部的沉淀。加2~3ml洗精培养基,将沉淀混匀。200×g离心5min。移去上清,再加入洗精培养基,重复离心洗涤步骤。用0.5ml IVF受精培养基悬沉淀。进行精于计数和精子质量评估。将处理获得的精子调整密度(50~300)×103/mL为宜,后置5%CO2、37℃、95%湿度培养箱待用。
(三)卵子来源
本实验所有卵子来源于我院生殖中心ICSI治疗受精失败的患者的卵子,或者我们采用的卵子包括待成熟受抑制状态的生发泡(Germinalvesicle,GV)和MI(第一次减数分裂中期)卵母细胞期的未成熟卵。患者的年龄小于35岁,不孕的原因明确为输卵管因素或男性因素。本实验经济宁医学院附属医院院生殖医学伦理委员会同意,并与患者签订科研捐赠知情同意书。
(四)精子与透明带结合试验
通过密度梯度离心法处理后的含有20%血清代用品及HTF液体精子溶液lml,与随机取出的4个卵子加入放人含有胚胎培养基的培养皿中,然后放入5%CO2培养箱里培养2h。2h后将卵子转移至含有2mg/mL的牛血清蛋白的磷酸盐缓冲溶液的培养皿中,然后用稍大于卵子两倍直径的巴氏特吸管反复吹打卵子数次以去除未与卵子结合的精子,正常生育力男子精子,每个卵子平均有上百个精子结合在透明带上。最后在相差显微镜下计数结合在卵子透明带上的精子数量,见图1A。
(五)透明带诱发顶体反应试验
用略小卵子直径的巴氏特吸管反复吹打精子与透明带结合试验卵子,使之与卵子结合的精子能从卵子脱落下来。考马斯亮蓝(coomassie brilliant blue, CBB)R250(Sigma公司)用3.5%的高氯酸水溶液配制成0.05%的CBB染色液。精子悬液离心(500 r/min, 5 min),沉淀以固定液即含4%甲醛的磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffered Saline,PBS)固定10 min,离心去上清,PBS洗涤2遍;适量PBS悬浮沉淀,吸取20μl精子悬液涂片晾干;精子涂片用CBB染色液滴于玻片染30min,三蒸水冲洗玻片,晾干,中性树脂封片。并在普通光学显微镜下进行观察、统计。染色后,所有精子尾部均染成紫蓝色,头部则呈a型和b型两种染色类型。a型为已经发生顶体反应的精子,顶体区染成紫蓝色而顶体后区不染色或呈浅紫色,少量精子顶体后区也呈紫蓝色;b型为没有发生顶体反应的精子,顶体区不染色或染浅紫色,其余部位染色与A型相似,见图1B。
图1 精卵结合图及顶体反应图
三、IVF-ET
(一)受精及胚胎培养
实验组(A组)根据受精方式不同分为常规体外受精组(A1组)和ICSI受精组(A2组),A1组和对照组(B组)采用常规的体外受精。取卵后3h加精子,精卵孵育6h后去除卵周颗粒细胞,观察第二极体是否排出,所有卵母细胞均无第二极体排出判断为完全不受精,排出第二极体卵母细胞数与成熟卵母细胞数之比<30%判断为低受精率,对未受精的MⅡ期卵及时行早期补救ICSI受精。受精后16~18h观察原核,出现2个原核和2个极体为正常受精卵。
(二)胚胎按以下评分标准分级
形态学指标 4’-卵裂球大小均匀,碎片为≤5%;3’-卵裂球大小均匀或不等,碎片6%~20%;2’-卵裂球体积相等或不等,碎片21%~50%;1’-卵裂球少,碎片>50%。1、2级胚胎在发育过程中出现下列情况,胚胎评级时在形态学基础上降一级:(1)授精20h内未见到原核,48h证实为延迟受精的胚胎。(2)取卵后48h超过8细胞或72h未超过5细胞。正常受精4、3级胚胎为优质胚胎。取卵后培养24~48h观察胚胎形态,将优质胚胎移植到宫腔内。胚胎移植后14d检测尿或血HCG阳性,移植后3~5周超声检查见胎心搏动为临床妊娠。移植时先选择常规受精来源的胚胎,若无常规受精来源胚胎则移植ICSI受精胚胎。
(三)精卵结合数、透明带诱发顶体反应率、受精率、优质胚胎率、妊娠率的计算公式
每个卵子的精卵结合数=结合在透明带的精子数目;透明带诱发顶体反应率=发生顶体反应的精子数目/镜下总的精子数目×100% ;受精率=正常受精卵数/卵-冠-丘复合体数×l00%;优质胚胎率=优质胚胎数/正常受精卵数×l00%;临床妊娠率=临床妊娠例数/移植周期数×l00%。
四、统计学处理
实验数据采用SPSS 16. 0统计软件进行统计。透明带诱发精子顶体反应率预测受精结果,用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic, ROC)曲线来判断。精卵结合数和透明带诱发顶体反应比较用t检验,透明带诱发顶体反应率和受精率的相关性用Spearman检验,妊娠率的比较用卡方验,P<0.05认为差异有统计学意义,P<0.01差异有显著统计学意义。
结 果
一、两组基本情况比较
比较A组和B组基本情况:男、女方年龄、不孕年限、精液量和NP差异无统计学意义。精液参数中,精子浓度、PR、正常形态率和精子存活率,B组均高于A组,差异有统计学意义,见表1。
表1 两组患者基本情况比较
二、两组治疗结局
两组获卵总数ICSI卵子数(n)、 两组优质胚胎率、临床妊娠率、差异均无统计学意义,其中受精率B组大A组,差异有统计学意义,但是经补救ICSI(rescue intracytoplasmic sperm injection,RICSI)后受精率(%),差异均无统计学意义,见表2。
表2 两组临床治疗结局比较
三、两组精卵结合数和透明带诱发顶体反应率的比较
实验组有6例平均精卵结合数目小于3,由于无法继续进行透明带诱发顶体反应,故将6例患者剔除出去。A1组的受精率与透明带诱发精子顶体反应率具有明显的相关性,有统计学意义(r=0. 889,P<0.01),表明透明带诱发顶体反应率高的精子其受精结果明显好于顶体反应率反应率低的精子的,见表3。
表3 两组精卵结合数、透明带诱发顶体反应率的比较
实验A1组顶体反应率和受精率ROC曲线分析显示:当透明带诱发精子顶体反应率高于68%时,其受精率高;低于68%时,受精率明显降低(见图2、图3),本研究中受精率结果的高低60%为标准。利用透明带诱发精子顶体反应率来预测受精结果具有较好的诊断价值。
图2 透明带诱发精子顶体反应率与受精率相关性比较
图3 透明带诱发精子顶体反应率预测其受精结果ROC曲线
讨 论
精液的常规检查一直作为一个很重要的参考指标来指导临床的治疗方案,伴随着男性不育研究的深入,传统的精液分析已不足以对男性生育能力准确全面的了解,并且研究表明,精液常规分析与实际生育力仅有70%的符合率[4]。
人精卵结合过程和机制是复杂的,受精过程也是精子与卵子之间发生的相互作用的过程,其中包括精卵结合、精子发生顶体反应(acrosome reaction, AR)、精子穿透卵透明带以及精卵融合等一系列过程,而精卵结合是受精过程的第一步, 因此精卵结合的特异性是保证受精过程特异性的关键中,至关重要,而顶体反应也是受精过程中的一个重要步骤。而目前仍未确定出一种精确的检测精子功能的方法。因此我们采用简单可行的精卵结合试验[5,6],采用任何精子一起培养过的GV和MI期的未成熟卵,或者是ICSI受精失败的卵子但没有任何精子穿进透明带和卵黄膜。而形态异常、自动活化、老化和多精受精的卵母细胞则不能用于本研究。有报道显示在ICSI治疗受精失败卵子中约有80%的卵子仍可以和其他精子进行精子功能检测,即可以和精子进行特异性结合并且能够诱发顶体反应[3]。
测定顶体的完整性有很多种方法,包括卵泡液、孕酮、钙离子载体A23187都能诱导顶体反应,但这些生物及化学物质诱发的顶体反应与透明带诱发的顶体反应并没有相关性[5],因而人透明带还是顶体反应最有效的诱导剂[7]。有报道显示:CBB染色法,可在普通实验室进行操作,简便经济并且可以保存结果,对精子标本的要求不高,易在临床实验室中推广[8]。
本研究显示:男性不育组平均精卵结合数(65.84±10.27)明显低于完全女方因素引起的不孕不育组的平均精卵结合数(89.93±8.73)。其中有6例平均精卵结合数目小于3,占男性不育患者的比例为13.6%(6/44)。提示男性不育患者的精子与卵子的结合率是明显降低的。2007年,Liu等[10]在研究不明原因性不育患者的精卵结合能力时候,就发现约有13%存在精子与透明带结合障碍,并经其命名为精子与透明带结合障碍症(disordered sperm-zona pellueid binding-DSZPB)。同样我们的研究也发现男性不育患者透明带诱发精子顶体反应率(43.87± 17.65)%,其中有6例患者平均精卵结合数目小于3,因而也就无法进行透明带诱发精子顶体反应检测,在剩余的38例患者进行检测当中发现,其中有4例的透明带诱发精子顶体反应率<20%,与完全女方因素引起的不孕不育组的透明带诱发精子顶体反应率(79. 48±14. 45)%相比,也是明显降低的。从而也就说明男性不育患者不仅精子与卵子的结合能力降低,而且也有可能伴有卵子透明带诱发精子顶体反应能力也下降。类似这种,精子能和卵子的透明带正常结合,但是却不发生顶体反应这种特异性精子功能缺陷,有学者将其命名为透明带诱发顶体反应缺陷症[12](disordered zona-pellucida induced aerosome reaction,DZPIAR)。到目前为止,DZPIAR症发生的确切的原因国内外尚无明确阐述[11]。
男性不育患者可能伴有精子功能缺陷,诸如精子与卵子的结合能力、精子顶体反应率明显下降,精子受精功能降低。如果这部分患者做IVF治疗,受精率下降,甚至受精完全失败,导致无胚胎移植。往往会给病人带来精神及经济上的负担。因此对患有生育障碍男性患者进入治疗周期前可以利用废弃卵子进行精卵结合及透明带诱发顶体反应实验来判断精子受精能力,检测出精子功能缺陷患者,为选择IVF或ICSI提供实验依据。如此既可避免一些IVF的受精完全失败,又可避免过度的ICSI治疗,减少子代遗传和先天缺陷的风险。本研究发现,22例男性不育患者行IVF受精,其受精率(43.37%),其中有5例受精率小于30%,占行IVF助孕男性不育患者的比例为22.7%(5/22),明显低于完全女方因素引起的不孕不育组(73.21%)以及实行ICSI助孕的组(66.19%),然而此5例患者经早期补救ICSI后A1组受精率为63.36%,与完全女方因素引起的不孕不育组以及实行ICSI助孕组相比无明显差异,并且之后的优胚率与妊娠率与完全女方因素引起的不孕不育组以及实行ICSI助孕组相比,差异都无统计学意义。这与严正杰等[12]研究相符,他们发现常规IVF失败的患者,6h内尽早行补救ICSI可提高受精率,改善临床妊娠结局。从而我们发现男性不育患者不仅有常规的精液参数的异常,并且会伴有的精子功能异常,从而导致受精率下降,但是一旦受精,对以后的胚胎发育可能无影响。因此补救ICSI可作为常规IVF失败后的补救措施。并且考虑ICSI技术本身潜在风险,应尽量谨慎使用该技术。因为其和自然妊娠相比减少了自然选择的筛选,引入不可预测因素,可能会增加后代异常的发生率。但在评估ICSI技术安全性时,应综合考虑其父母本身缺陷和非技术性影响因素,给予ICSI技术公正的认识。对ICSI可能的不良反应,置之不理是不恰当的。选择合适对象和采取严格操作规程后其结果应该是安全可靠的。
精卵结合及透明带诱发顶体反应实验是简单有效的检测方法,它能很好预测患者的精子功能,对于IVF后废卵较多的生殖医学中心,可以考虑利用废弃卵子进行精卵结合及透明带诱发顶体反应实验来判断精子受精能力的高低,以决定是否选择IVF或ICSI受精方式。而对于首次行IVF治疗的男性不育患者,如果不具备以上试验条件时,在获得卵子数目较多的情况下,可以考虑采取早期补救ICSI方法。这样有利于提高受精率,避免完全受精失败,获得较好的妊娠结局,也可为以后的治疗提供更好的方案,并且可以降低ICSI的操作率,降低患者的治疗费用,减少后代异常的发生率。然而有对于可疑受精失败的不育患者原发不孕或不明原因不孕患者,体外受精助孕时,有学者选择Half-ICSI方式受精[13]。但是因担心受精失败而行Half-ICSI会导致绝大部分不必要的ICSI,加重患者经济负担和医疗资源的浪费,再者对于获卵较少,而行half-ICSI无实际应用价值,并且有研究显示,尽管早补救ICSI授精方式有增加多精受精的风险,但是早补救ICSI是优于half-ICSI的授精方式,因为在IVF受精成功周期中实行早补救ICSI,其优质胚胎率、胚胎种植率和临床妊娠率明显高于的均明显低于half-ICSI;而在IVF受精失败周期中,早补救ICS的受精率显著高于half-ICSI[14]。
精子功能试验可探知不孕的原因,使不孕夫妇放弃无谓的浪费,做出最理智的生育决策,选择有成效的治疗方法或果断的治疗决定。因为最终生育计划的决定者是夫妻双方,其有权知道各种妊娠方式的成功率,而精子功能测试及其遗传和男科学试验,能帮助不孕夫妇做出明智的知情选择。
综上所述,本项目应用精卵结合试验对男性不育患者进行精子功能检测;探讨精卵结合检测在体外受精 、胚胎移植术助孕中的应用价值。国内外鲜有相似的报道。应用精卵结合实验可以在一次检测过程中连续完成精子-透明带结合试验、透明带诱发精子顶体反应和精子-透明带穿透试验3个项目检测。实验操作性强,结果重复性好,为研究男性不育患者的精子功能的可行性检测,有较强的临床应用价值。而早期补救ICSI可以有效避免完全不受精或低受精率的情况,可以显著改善实验室及临床结局。
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(2013-11-08收稿)
Correlation of sperm-oocyte interaction and IVF clinical outcomes*
Sun Baogang, Wang Lixia, Cao Jinghe, Liang Lunan, Yang Aijun, Wang Xuenan, Niu Huanfu
Aff liated Hospital of Jining Medical College,Jining, Shangdong 272000, China
ObjectiveTo study the clinicl significance of the sperm-zona pellucida (ZP) binding and ZP-induce dacrosome reaction for patients with man infertility and discuss its applicaton value in IVF.MethodsBased on the causes of infertility, 89 patients were divided into an unexplained infertility group( 44cases,GroupA) and a pure female tubal factor group( 44cases,Group B). The patients in GroupA were further randomly divided into two subgroups Group A1(patients treated with conventional in vitrofertilization, IVF) and Group A2(patients treated with intracytoplasmic sperm injection (ICSI) fertilization). Patients in Group B receivedconventional IVF. The fertilization rate of Group A1 was less than 30%,the early rescue ICSI was carried out. Sperm-ZP binding and ZP-induced acrosome reaction experiments were conducted with 2 groups of men’s sperms separately. The number of sperm-egg binding and ZP-induced acrosome reaction rate were compared and the relationship between the ZP-induced acrosome reaction and fertilization rate was analyzed. Thefertilization rate, good embryo rate and pregnancy rate in patients with man infertility after fertilization in 2 ways were investigated.ResultsThe average number of sperm-egg binding (65.84±10.27) and the ZP-induced acrosome reaction rate (43.87±17.65)% in Group A were lower than those in Group B [89.93±8.73, (79.48±14.45)% ]. The difference between the average number of sperm-egg binding and the ZP-induced acrosome reaction was signif cant (P<0.05). The fertilization rate of GroupA1 was signif cantly lower than that of Group B and GroupA2 (P<0.05). But there was no signif cant difference in the fertilization rate among the 3 groups after early rescue ICSI. And there was also no signif cant difference in the good embryo rate among the 3 groups. There was no signif cant difference between Group A2 and B in fertilization rate and good embryo rate (P>0.05). There was no signif cant difference in pregnancy rate between Group A and B (P>0. 05). Fertilization rate and the rate of acrosome reaction had marked positive correlation with statistical significance(r=0. 889,P<0.01).ConclusionZP binding and ZP-induced acrosome reaction are very important experiments for evaluating sperm function of male patients with infertility. They can predict sperm fertilization ability and provide valuable information for clinical treatment. Early rescue ICSI can effectively avoid complete fertilization failure or low fertilization rate, and signif cantly improve clinical outcome.
infertility,male; acrosome reaction; sperm injections, intracytoplasmic; fertilization in vitro
10.3969/j.issn.1008-0848.2014.03.005
R 698.2; R 321-33
资助: 济宁医学院青年基金项目(编号: JYQ2011KM056)