實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)人類胚胎的下一步是什么？

編譯 米斛

在阿里·布里瓦盧（Ali Brivanlou）的實(shí)驗(yàn)室中正在進(jìn)行胚胎第13天的實(shí)驗(yàn)。他們現(xiàn)在即將面臨一項(xiàng)煩人的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究方向是發(fā)育生物學(xué)，他們?cè)诖酥敖鈨隽耸畮讉€(gè)人類胚胎并將它們分別放置在培養(yǎng)皿中，從而觀察這些胚胎在發(fā)育最早期的成長(zhǎng)過(guò)程。全世界的研究者只有少部分人見過(guò)這個(gè)過(guò)程。但阿里知道，這一系列實(shí)驗(yàn)即將結(jié)束。

隨著胚胎的生長(zhǎng)，它即將超過(guò)“14天規(guī)則”的限制。14天規(guī)則是一項(xiàng)國(guó)際共識(shí)，該規(guī)則要求實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的胚胎只能成長(zhǎng)到受精后的第14天。第14天大致是原條出現(xiàn)的時(shí)間，而原條的出現(xiàn)標(biāo)志著胚胎軀體中軸的建立，并開始區(qū)分頭尾和左右。

回憶起2015年他在紐約洛克菲勒大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，布里瓦盧說(shuō)：“現(xiàn)在是時(shí)候結(jié)束這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)了。這是我一生中做過(guò)的最艱難的決定之一?！痹谂咛ドL(zhǎng)的第13天，團(tuán)隊(duì)人員將胚胎從培養(yǎng)皿的底部剝離并冰凍以防止其進(jìn)一步發(fā)育?！拔覀儾恢涝诘?4天后會(huì)發(fā)生什么?！辈祭锿弑R說(shuō)。

現(xiàn)在，布里瓦盧和其他的發(fā)育生物學(xué)家有機(jī)會(huì)一探究竟。

這張圖展示的是實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)了12天的人類胚胎。紫色的細(xì)胞就是組成人類胚胎的細(xì)胞

國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)（ISSCR）在2021年5月發(fā)表的新指南中放寬了14天規(guī)則，移除了規(guī)則中的硬性規(guī)定。盡管全世界只有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠充分滿足培養(yǎng)人類胚胎14天所需的條件，但科學(xué)的進(jìn)步是很快的。在一些國(guó)家中法律允許將胚胎培養(yǎng)至14天之后，而14天規(guī)則的松動(dòng)則讓這些國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)能夠向監(jiān)管者申請(qǐng)將胚胎培養(yǎng)至14天之后。在母體中，胚胎一般在受精一周后著床。而這些研究能夠向我們展現(xiàn)著床之后人類胚胎的發(fā)育。在著床之后，也就是胚胎受精后大約14～22天，胚胎開始形成原腸。在這一發(fā)育階段中胚胎大致長(zhǎng)出了身體的形狀，也為器官形成打下了基礎(chǔ)。

有1/3的流產(chǎn)和眾多先天畸形發(fā)生在懷孕初期。通過(guò)觀察14天之后的胚胎發(fā)育，科學(xué)家能夠更好地理解這些流產(chǎn)和先天畸形的發(fā)生機(jī)制。此外，這些階段中隱藏著細(xì)胞分化成組織和器官的線索，而這些線索能夠推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

大多數(shù)研究者期望布里瓦盧的團(tuán)隊(duì)和其他這一領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)能夠迅速推動(dòng)人類胚胎培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，從而延長(zhǎng)胚胎培養(yǎng)的時(shí)間。能夠做到這一點(diǎn)的團(tuán)隊(duì)之間已經(jīng)開始了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。在其他國(guó)家，這樣的研究則被法律所限制。來(lái)自昆明理工大學(xué)的胚胎學(xué)家李天晴表示，一些中國(guó)的研究者正在討論是否修改依據(jù)14天規(guī)則制定的政策。

所以目前研究人員還不認(rèn)為會(huì)有大量新的關(guān)于14天后胚胎的研究，且也不是所有研究者都認(rèn)可這樣的實(shí)驗(yàn)。一位來(lái)自倫敦弗朗西斯·克里克研究所的發(fā)育生物學(xué)家內(nèi)奧米·莫里斯（Naomi Moris）說(shuō)：“我很擔(dān)心如果把人類胚胎用作科學(xué)研究，它們自身的權(quán)利能否得到保障?！?/p>

為了繞開對(duì)胚胎培養(yǎng)的限制，研究者在過(guò)去5年間制作了一系列人類胚胎模型，而其中大多數(shù)則是由干細(xì)胞混合而成。這些模型粗略模仿了許多早期胚胎發(fā)育的階段，并且不使用稀少且會(huì)觸及倫理學(xué)問(wèn)題的人類胚胎（這些胚胎是接受試管嬰兒輔助生殖的人們捐贈(zèng)的）。截至目前，14天規(guī)則并不適用于這些胚胎模型。但當(dāng)這些由干細(xì)胞組成的胚胎模型變得越來(lái)越復(fù)雜，甚至有發(fā)育出可辨識(shí)的結(jié)構(gòu)甚至器官的可能時(shí)，這些模型就進(jìn)入了自身所屬倫理學(xué)范疇的灰色地帶。

不論是使用模型或是真正的人類胚胎，科學(xué)家知道他們還有很多未知需要探索。來(lái)自維也納奧地利科學(xué)院分子生物研究所的干細(xì)胞生物學(xué)家和胚胎學(xué)家尼古拉斯·利伏龍（Nicolas Rivron）說(shuō)：“胚胎都是偉大的大師，它們告訴我們成型和衰老的全部?！?/p>

突破極限

在1979年，伴隨著試管嬰兒技術(shù)的出現(xiàn)，人類胚胎首次在體外出現(xiàn)，14天規(guī)則隨之被首次提出——即使在當(dāng)時(shí)的條件下這些胚胎僅能存活幾天。在國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)于2006年簽署的第一份人類胚胎干細(xì)胞研究指南中，14天規(guī)則正式在學(xué)術(shù)界被確立。

這份指南在世界范圍內(nèi)被研究者廣泛采納。在包括德國(guó)和奧地利在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家中，利用人類胚胎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是非法的。而像英國(guó)、中國(guó)、日本、澳大利亞和加拿大這些國(guó)家則將14天規(guī)則寫入了法律。盡管在諸如美國(guó)和以色列等國(guó)家只有指南沒(méi)有法律禁止或限制，但這樣的研究不能獲得美國(guó)聯(lián)邦政府資助。

國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)上一次更新發(fā)布指南是在2016年，隨即就有兩個(gè)研究組發(fā)布了他們突破性的研究成果。

瑪格達(dá)萊娜·澤爾妮卡-戈茨（Magdalena Zernicka-Goetz）的實(shí)驗(yàn)室位于英國(guó)劍橋大學(xué)。他們?cè)?013年就開始探索將人類胚胎培養(yǎng)超過(guò)7天。這個(gè)研究組希望了解囊胚形成之后的發(fā)育過(guò)程。她的研究團(tuán)隊(duì)精確地調(diào)整了激素和生長(zhǎng)因子的配方，并在2016年報(bào)道了他們已經(jīng)能夠?qū)⑷祟惻咛ヅ囵B(yǎng)至第12～13天，同時(shí)布里瓦盧的團(tuán)隊(duì)也報(bào)道了相似的成果。

澤爾妮卡-戈茨說(shuō)：“我們的發(fā)現(xiàn)，例如頭部發(fā)育的過(guò)程，是十分重要的?！睗蔂柲菘?戈茨現(xiàn)在同時(shí)就職于她在英國(guó)和美國(guó)加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室。她補(bǔ)充道：“我被第二、第三、第四周的胚胎發(fā)育過(guò)程深深吸引著，這段時(shí)期的胚胎發(fā)育過(guò)程無(wú)法通過(guò)超聲了解，但身體主要器官的前體在這段時(shí)間開始形成?！?/p>

在胚胎生長(zhǎng)時(shí)，基因在胚胎細(xì)胞中如何表達(dá)一直困擾著科學(xué)家。在迄今規(guī)模最大的人類胚胎研究中，澤爾妮卡-戈茨的團(tuán)隊(duì)分析了4 820個(gè)單細(xì)胞。這些細(xì)胞來(lái)自實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的16個(gè)胚胎，包括了從正常著床的第5天到原腸開始形成的第11天的各個(gè)階段。單細(xì)胞RNA測(cè)序能夠反映出哪些基因不再表達(dá)，而哪些基因在全能干細(xì)胞分化為多能干細(xì)胞時(shí)表達(dá)。

盡管我們已經(jīng)了解小鼠體內(nèi)的發(fā)育信號(hào)，這項(xiàng)研究第一次揭露了參與人類胚胎發(fā)育過(guò)程的分子。

有些實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類胚胎上進(jìn)行。在這些實(shí)驗(yàn)中，澤爾妮卡-戈茨和布里瓦盧以及他們的團(tuán)隊(duì)都關(guān)注到了非整倍體細(xì)胞。這些細(xì)胞的染色體數(shù)目不同于正常細(xì)胞，而染色體數(shù)目異常則會(huì)導(dǎo)致超過(guò)一半的早期流產(chǎn)。

試管嬰兒技術(shù)在臨床上一般只會(huì)分析幾個(gè)胚胎細(xì)胞的基因情況。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)這種分析方法產(chǎn)出的結(jié)果可能具有誤導(dǎo)性。澤爾妮卡-戈茨的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)部分帶有非整倍體細(xì)胞的胚胎仍能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下正常發(fā)育。布里盧瓦的團(tuán)隊(duì)則分析了人類胚胎從第3天到第14天的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目異常的細(xì)胞在發(fā)育的過(guò)程中消失了——也可能是發(fā)育成了支持組織或細(xì)胞因死亡而被清除。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都提示，臨床上檢測(cè)體外受精人類胚胎的非整倍體細(xì)胞可能錯(cuò)誤地將一些胚胎判定為“不健康”。

布里瓦盧表示，使用人類胚胎對(duì)于這些發(fā)現(xiàn)是至關(guān)重要的。他說(shuō)“除了通過(guò)觀察胚胎發(fā)育，我們沒(méi)有別的方法做出這些發(fā)現(xiàn)”。他正在設(shè)計(jì)其他實(shí)驗(yàn)——一些可能會(huì)將培養(yǎng)期限延長(zhǎng)至14天之后——試圖發(fā)現(xiàn)胚胎是如何清除這些非整倍體細(xì)胞的。

兩周之后

那些使用動(dòng)物胚胎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究者已經(jīng)將動(dòng)物胚胎培養(yǎng)至相當(dāng)于人類胚胎的14天之后。這些動(dòng)物胚胎的培養(yǎng)技術(shù)能夠?yàn)檠娱L(zhǎng)人類胚胎培養(yǎng)時(shí)間鋪平道路。2021年3月，在以色列雷霍沃特的魏茨曼科學(xué)研究所中，雅各布·漢娜（Jacob Hanna）的團(tuán)隊(duì)將小鼠胚胎的培養(yǎng)時(shí)間從5.5天延長(zhǎng)至11天（大致相當(dāng)于將人類胚胎培養(yǎng)時(shí)間從13天延長(zhǎng)至30天）。盡管其他研究者認(rèn)為這一過(guò)程是極為困難的，但這些小鼠胚胎都正常地開始了器官發(fā)育。

布里瓦盧和澤爾妮卡-戈茨都計(jì)劃進(jìn)一步推動(dòng)人類胚胎培養(yǎng)的極限，就像漢娜的團(tuán)隊(duì)在小鼠胚胎上實(shí)現(xiàn)了從5.5天至11天的培養(yǎng)時(shí)間那樣。布里瓦盧希望搞清干細(xì)胞內(nèi)部的基因是如何促使其分化為大腦細(xì)胞的，也想了解四腔心是如何在分子的引導(dǎo)下形成的。這兩個(gè)事件都發(fā)生在人類胚胎受精的14天之后，解開這些謎題能夠?yàn)榱私馍窠?jīng)發(fā)育異常和常見的先天性心臟病的發(fā)生機(jī)制提供思路。

布里瓦盧和其他的發(fā)育生物學(xué)家表示，未來(lái)，研究者技術(shù)上將能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中觀察人類胚胎著床的過(guò)程。他的團(tuán)隊(duì)正在向其所屬大學(xué)的管理委員會(huì)申請(qǐng)將胚胎培養(yǎng)的時(shí)限延長(zhǎng)至第21天。在這一周中，胚胎會(huì)確定哪些結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)育成大腦、脊髓、骨骼、心臟、血液、肌肉和面部，確定整個(gè)身體的發(fā)育計(jì)劃。布里瓦盧說(shuō)：“我不知道我們能否將胚胎培養(yǎng)延長(zhǎng)至14天，但一旦我們成功了，我們需要更加謹(jǐn)慎地進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

胚胎模型

研究者已經(jīng)有一些觀察哺乳動(dòng)物原腸形成過(guò)程的方法了。比如，研究者通過(guò)觀察混合后的干細(xì)胞建立胚胎的三維模型，而非使用真的人類胚胎。在過(guò)去的五年間，研究者建立了各種各樣的胚胎模型來(lái)探索14天后的胚胎發(fā)育。在大多數(shù)情況下，這些胚胎模型不受14天規(guī)則或任何特別審查的限制。

這些用于模擬囊胚階段的胚胎模型是將皮膚細(xì)胞重新編程后得到的

密歇根大學(xué)位于美國(guó)安娜堡。在2017年，該校的一位生物醫(yī)學(xué)工程師傅建平和他的團(tuán)隊(duì)完成了第一個(gè)通過(guò)三維培養(yǎng)人類胚胎干細(xì)胞制作的人類胚胎模型。該模型中，這些細(xì)胞自發(fā)形成了羊膜囊和代表原條形成的第一個(gè)標(biāo)志。這一發(fā)現(xiàn)讓該領(lǐng)域的科學(xué)家大為興奮。傅建平說(shuō)：“存在于胚胎干細(xì)胞中的這種可能性讓人著迷?！?/p>

與傅建平制作的模型類似，許多模型現(xiàn)在能夠模擬小鼠和人胚胎的最早期階段，例如：著床，原腸形成以及大腦、脊髓和心臟最初階段的發(fā)育。舉例來(lái)說(shuō)，傅建平和其他人構(gòu)建的類神經(jīng)模型能夠模擬大腦和脊髓的前體的形成過(guò)程。傅建平認(rèn)為這個(gè)模型能夠幫助研究者培養(yǎng)有正常功能的神經(jīng)元，而這樣的細(xì)胞在未來(lái)能夠移植到患者體內(nèi)。通過(guò)混合干細(xì)胞制作的模型經(jīng)常在外觀與行為上類似于真正的胚胎，但我們并不清楚在這些模型內(nèi)部——分子和細(xì)胞的行為是否與正常發(fā)育的胚胎一致。

隨著人類胚胎模型越發(fā)復(fù)雜，生長(zhǎng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，新的倫理學(xué)問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。這是傅建平和其他研究者都認(rèn)同的。比方說(shuō)模型中的神經(jīng)元能夠發(fā)出電信號(hào)，或者模型中的心臟能夠跳動(dòng)，甚至有些模型能獲得進(jìn)一步發(fā)育的潛能并突破當(dāng)前所允許的極限。大多數(shù)模型缺乏完整胚胎形成所需的充分的生命支持組織。但在過(guò)去幾年間，許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了小鼠和人的囊胚期胚胎模型，這些模型被稱為“類囊胚模型”。

國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)已經(jīng)注意到了這一類型研究。在其發(fā)布的指南中，含有這些支持組織的模型必須接受特殊的監(jiān)管，并且其生長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)等同于滿足科學(xué)研究所需的最短時(shí)間。當(dāng)支持組織出現(xiàn)時(shí)，這些模型就需要重新進(jìn)行倫理考量。國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)委員弗朗西斯·克里克研究所的干細(xì)胞生物學(xué)家羅賓·貝吉（Robin Lovell Badge）說(shuō)：“顯然，我們需要監(jiān)督這些領(lǐng)域的研究。”

當(dāng)胚胎和胚胎模型的研究逐漸深入，科學(xué)家開始思考這兩者的相似程度，研究者希望了解在模型與真正的胚胎中分子與細(xì)胞的行為有多大的差異，而這也是研究者希望將胚胎培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)至14天之后的主要原因。德國(guó)馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所的發(fā)育生物學(xué)家杰西·范利特（Jesse Veenvliet）說(shuō)：“我們能從模型中了解很多，但了解模型中哪里出了問(wèn)題也同樣重要。”

在2020年，莫里斯和同事比較了小鼠胚胎和小鼠原腸模型的基因表達(dá)。他們發(fā)現(xiàn)在發(fā)育的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，兩者的基因表達(dá)有著驚人的相似。她說(shuō)：“對(duì)于人類胚胎和人類原腸模型也應(yīng)進(jìn)行這樣的基準(zhǔn)化分析法，而這需要將人類胚胎培養(yǎng)到第21天?！崩垊t推測(cè)了人類發(fā)育各個(gè)階段的分子圖譜。

一旦完成充分的基準(zhǔn)化分析法，人類胚胎的使用數(shù)量將減少。研究者能夠使用模型替代真正的胚胎。在那時(shí)，除非有足夠充分的理由，研究者不會(huì)使用人類胚胎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

設(shè)定時(shí)限

但研究者如果要觀察人類胚胎的發(fā)育，他們到底能將人類胚胎培養(yǎng)多久呢？批評(píng)者認(rèn)為國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)放寬14天規(guī)則后沒(méi)有為研究者提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間限制是一種不負(fù)責(zé)任的行為。

傅建平是國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)的成員，他參與了這份新指南的制作，其間參與了100多個(gè)線上會(huì)議。他說(shuō)：“現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展如此之快，重新制定一個(gè)時(shí)間限制是十分困難的。”事實(shí)上，這份指南允許相關(guān)研究在合理的監(jiān)管下進(jìn)行。

而布里瓦盧贊同這一決定，他說(shuō)：“說(shuō)實(shí)話，突破14天規(guī)則有很多好處，甚至能在未來(lái)拯救人的生命?！彼拓惣颊J(rèn)為有些突破14天規(guī)則的研究不被允許反而是不符合倫理的。這些研究能夠解鎖器官中不同細(xì)胞是如何出現(xiàn)的，也能展示流產(chǎn)和先天畸形是如何發(fā)生的。

那么哪些實(shí)驗(yàn)和胚胎模型與培養(yǎng)超過(guò)14天的胚胎研究采用相同的監(jiān)管措施呢？此前這一問(wèn)題并沒(méi)有明確的結(jié)論，而現(xiàn)在國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)的指南中給出了一個(gè)清晰的界限，即只有包含支持組織的模型和理論上存在完全發(fā)育可能性的模型需要與培養(yǎng)超過(guò)14天的胚胎研究采用相同的監(jiān)管措施。（這一指南也禁止將實(shí)驗(yàn)室中的人類胚胎，人與動(dòng)物的嵌合體胚胎，以及人類胚胎模型移植到人或動(dòng)物的子宮內(nèi)。）

一些研究者對(duì)于放寬14天規(guī)則持保守態(tài)度。莫里斯就是其中一位，他不認(rèn)為公眾真的有機(jī)會(huì)來(lái)衡量14天后胚胎實(shí)驗(yàn)的后果。

紐約加里森黑斯廷斯中心的生物倫理學(xué)家約瑟芬·約翰斯頓（Josephine Johnston）進(jìn)一步說(shuō)：“我認(rèn)為放棄14天規(guī)則的同時(shí)沒(méi)有為胚胎實(shí)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)新的時(shí)間限制是一個(gè)錯(cuò)誤。設(shè)置時(shí)間限制代表著科學(xué)界理解并尊重人類胚胎的社會(huì)意義。放棄針對(duì)胚胎培養(yǎng)的時(shí)間限制可能徹底動(dòng)搖公眾對(duì)科學(xué)界的信任。此外，研究者最好能夠解釋清楚如何研究培養(yǎng)超過(guò)14天的胚胎才能真正幫助人類。他們需要直截了當(dāng)?shù)亟忉屌咛パ芯康募?xì)節(jié)。盡管這一領(lǐng)域的許多研究看似遙不可及，但缺乏時(shí)間限制還是過(guò)于大意了。”

資料來(lái)源 Nature