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Esiste un numero straordinariamente elevato di uomini che hanno concentrazioni di spermatozoi nel liquido seminale insufficienti per una fertilizzazione in vitro ed esistono uomini che non hanno spermatozoi nell'eiaculato, ma solo nell'epididimo e nel testicolo perché le vie che conducono gli spermatozoi dall'epididimo al pene sono assenti (congenitamente) o chiuse (per malattie infettive o interventi chirurgici), il seme viene normalmente prodotto nel testicolo e accumulato nell'epididimo, dal quale può essere aspirato con una tecnica chirurgica (MESA: Microscopic Epididymal Sperm Aspiration) per poi poter essere utilizzato per una fertilizzazione in vitro.

Simili alla MESA possono essere considerate altre tecniche (TESE: Testicular Sperm Estraction; TESA: Testicular Sperm Aspiration) che consentano di aspirare spermatozoi o spermatici direttamente dal testicolo e di utilizzarli per una ICSI.
In tutti questi casi il prelievo dal testicolo viene eseguito in anestesia locale, introducendo in differenti parti delle gonadi sottili aghi che prelevano un po' di tessuto per aspirazione; fa eccezione la MESA, che comporta l'esecuzione di un vero e proprio piccolo intervento (dev'essere messo a nudo l'epididimo, che viene successivamente selezionato in punti diversi).
E' molto importante sincronizzare il momento del prelievo degli spermatozoi con quello degli ovociti. Si preferisce prelevare prima gli ovociti, per giudicare, dal loro numero totale e dalla loro qualità, se davvero vale la pena procedere all'aspirazione degli spermatozoi. La stimolazione ovarica può essere ripetuta e migliorata, mentre il prelievo degli spermatozoi può risultare irripetibile.
Oggi si usano sempre di più le tecniche di prelievo diretto degli spermatozoi dall'epididimo o dal testicolo, mediante agoaspirazione.
In alcuni casi il prelievo mediante agoaspirazione di piccole quantità di tessuto testicolare non consente di trovare spermatozoi, ma solo spermatici, le cellule che nella spermatogenesi precedono immediatamente gli spermatozoi e che sono caratterizzati da un patrimonio cromosomico apolide (23 cromosomi). La percentuale di fertilizzazioni ottenute in questo modo si aggira tra il 25 e il 30 % e sono già nati alcuni bambini con tutte le caratteristiche della normalità.

Approfondimento: Cos'è la Procreazione Medicalmente Assistita (PMA)