“人工子宮”打開了潘多拉魔盒嗎

張田勘

早在20世紀30年代，研究人員就設想在子宮外以人工的方式培養胚胎，這樣既能了解生命發育的整個過程，也能提取胚胎干細胞，以治療疾病。

經過多年的探索，現在研究人員可以通過技術手段在子宮外的人工器皿中觀察胚胎的發育，而且方法不止一種，這為生命科學研究和防治疾病開啟了廣闊天地，但也有可能會打開潘多拉的魔盒。

最近，美國加州理工學院的馬格達萊納·戈茨團隊在《自然》雜志上發表的論文介紹了在實驗室里用不同的小鼠干細胞裝配小鼠胚胎的過程和結果。他們分別使用了來自小鼠的胚胎干細胞、滋養層干細胞和胚外內胚層干細胞，并把它們組裝起來，形成一個組合胚胎。

正常情況下，在精子和卵子結合后的第一周，會發育出三種干細胞，一種是胚胎干細胞，可發育成組織器官和生命個體，另外兩種是支持胚胎發育的干細胞—滋養層干細胞和胚外內胚層干細胞。三種類型的干細胞在胚胎發育過程中相互發送觸覺和化學信號，指導胚胎正常發育。

研究人員將上述三種干細胞按比例組合在一起，放進培養皿中，促進它們生長和“相互交流”，滋養層干細胞向胚胎干細胞發出化學信號，也通過觸覺指導胚胎的發育。最終這三類干細胞組裝成胚胎，產生了ETiX胚狀體（ETiX-embryoid）。ETiX胚狀體是一種胚胎模型，能夠發育到神經胚形成之后。該ETiX胚狀體形成了前腦和中腦區域的頭褶，發育出了跳動的心臟樣結構及部分神經管，包含神經中胚層祖細胞的尾芽、腸管和原始生殖細胞。

為了檢測這種胚胎與自然發育的胚胎的異同，研究人員敲除了該胚胎參與眼部和其他感覺器官發育的Pax6基因，結果與敲除Pax6基因的自然小鼠胚胎相似，造成了眼部和感覺器官發育的異常。不過，這種合成的胚胎不能像正常的胚胎一樣發育出所有的器官，如無法形成神經管、大腦和脊髓。

如果未來將這種胚胎模型應用于培養人類胚胎，則能形成多種人體組織器官，可供醫治疾病和器官移植。同時，該模型還可以用于了解人類胚胎的發育過程，以幫助不育人群正常生育。不過，這些研究會受到倫理限制，因為迄今對人類胚胎研究的限制還是在14天以內。

以色列魏茨曼科學研究所的漢娜團隊在2021年和2022年進行的兩項研究都是對子宮外胚胎孕育的觀察和研究。漢娜團隊研發了一個人造子宮，并使用這種人造子宮培養小鼠胚胎，胚胎生長時間達到6天（小鼠妊娠期的三分之一）。

通過6天的觀察，研究人員發現了胚胎發育中的一些基因編碼的程序，而且初步了解了有關出生缺陷、發育缺陷以及與胚胎植入有關的線索。

盡管過去的人造子宮能讓小鼠胚胎發育成長，但其更多的作用是為胚胎提供營養支持。其實，自然胚胎的生長需要多種細胞信號。因此，漢娜團隊研發了新型人造子宮sEmbryo，以更好地觀察胚胎的發育，并用于在子宮外培養小鼠胚胎。

研究人員在小鼠胚胎自然發育到由250個相同的干細胞組成的小球時，將這些胚胎球放入實驗室的人造子宮sEmbryo內。sEmbryo是一個培養皿，有特殊的生長培養基，胚胎球可以附著在培養基上，就像附著在小鼠的子宮壁上。

在胚胎發育的第一階段，胚胎會增至原來的兩三倍，并分化成三層：內胚層、中胚層和外胚層。兩天后，小鼠胚胎進入下一個發育階段，開始從每一層中形成器官的雛形。在這個階段，研究團隊將小鼠胚胎放在sEmbryo中的燒杯營養液中，并將燒杯放置在使營養液保持運動并不斷混合的滾輪上。這種裝置的作用是模擬自然孕育中母體血液流向胚胎的過程。此外，研究人員還要調節燒杯中的營養物質，密切監控人造子宮中的氧氣、二氧化碳濃度和氣壓。因此，sEmbryo比過去的人造子宮更有利于胚胎生長。

在這項研究中，研究人員可以觀察到小鼠初始的胚胎干細胞瞬時表達Cdx2和 Gata4基因，以促進它們分別向滋養外胚層和原始內胚層譜系發育，還能觀察到小鼠原腸運動（胚胎發育成各種組織器官的關鍵生命過程）到器官出現早期階段的細胞發育情況。

未來，如果能在倫理方面取得共識，在技術方面取得進展，或許可以通過人造子宮培養人類胚胎干細胞以治療疾病，甚至可以讓胚胎干細胞發育成多種器官進行器官移植。

今年8月25日，位于湖南長沙的人類干細胞國家工程研究中心宣布，“利用人胚胎干細胞誘導分化的肝細胞治療急性/慢加急性肝衰竭的安全性臨床研究”項目治療的首位患者，目前生存狀況良好，表明肝細胞治療肝衰竭安全有效。這是全球首次采用人胚胎干細胞來源肝細胞治療肝衰竭患者。

這種治療方法特別有益于中國人。中國是肝病大國，每年約有600萬終末期肝病新增病人，目前對這類病人最有效的治療方法是原位肝移植。但是，供體肝臟極為匱乏，很多人在等待供體肝臟的過程中去世。現在，中國科學家已經證明人胚胎干細胞誘導分化的肝臟細胞治療肝衰竭患者安全有效，表明這種方式相較于利用肝移植治療終末期肝病更具優勢，成本也更低，因此有望打破肝衰竭治療瓶頸。此外，胚胎干細胞可以轉化為各類細胞，也能為治療多種疾病提供安全、穩定、充足的細胞來源。

胚胎干細胞的實用性研究也體現在可以讓其分化和生長為生殖細胞（如男性的精子），以治療不育癥。

現在，美國佐治亞大學和中國華東師范大學的研究團隊展開合作，利用非人靈長類動物的胚胎干細胞在體外分化出功能性精子細胞。不過，這樣的精子細胞并不成熟，還不能與卵子結合以產生胚胎。這種從胚胎干細胞分化的初級單倍體精子缺少一種關鍵蛋白TET3，后者通常在成熟精子中表達。為此，研究人員將激活因子和純化的TET3蛋白加入這些精子細胞中，以讓其成熟并能與卵子結合，提高了生成健康胚胎的概率。這也意味著，經過進一步的人工干預，靈長類的胚胎干細胞可生成成熟精子。

如果獲得相關倫理委員會的批準，隨著技術成熟，未來也可以利用人類胚胎干細胞生成精子和卵子，以治療不育癥。