在人類發(fā)育的第7或第8天，囊胚會植入子宮壁。? 圖片來源：Lennart Nilsson, TT/SPL

這是科學(xué)家首次在體外構(gòu)建出完整的人囊胚樣結(jié)構(gòu)。北京時間3月18日發(fā)表于《自然》的兩項研究，首次報道了實驗室構(gòu)建的完整人囊胚樣結(jié)構(gòu)——類似于早期人類胚胎的結(jié)構(gòu)。這些實驗的目標(biāo)是獲得對人類早期發(fā)育的重要見解，找到預(yù)防流產(chǎn)、出生缺陷以及治療生育問題的新方法。

“研究人類早期發(fā)育很困難，基本上就是一個‘黑匣子’?！鄙鲜稣撐闹坏念I(lǐng)銜作者、美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心干細(xì)胞生物學(xué)研究者吳軍在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，新模型有助于在不使用人類胚胎的情況下驗證科學(xué)假設(shè)。

盡管科學(xué)家強(qiáng)調(diào)，類人囊胚結(jié)構(gòu)僅用于科學(xué)研究，尚不能用于生殖，但相關(guān)研究依然挑戰(zhàn)了人們對生命是什么以及何時開始的認(rèn)知，帶來了“實驗室造人”的擔(dān)憂，不可避免地引發(fā)了倫理爭議。

實驗室制造“類人囊胚”

每個人都是從囊胚發(fā)育而來。卵子在受精后的幾天內(nèi)會發(fā)育成囊胚——直徑僅約頭發(fā)絲粗細(xì)（約120微米）的球形結(jié)構(gòu)，由上胚層、原始內(nèi)胚層以及滋養(yǎng)層三類細(xì)胞組成。其中上胚層細(xì)胞會發(fā)育成成體的各種組織，而原始內(nèi)胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)層細(xì)胞則發(fā)育成胎盤等胚胎外組織連接母體并為胚胎繼續(xù)發(fā)育提供支持。

從卵子受精成為囊胚到附著到著床于子宮，這個人類最早期發(fā)育過程只有七八天左右，其中蘊(yùn)藏的生命密碼卻是人們了解單個細(xì)胞發(fā)育成人以及導(dǎo)致遺傳疾病和流產(chǎn)等不孕癥的關(guān)鍵。

但由于缺少合適的模型，人們對人體早期胚胎發(fā)育的理解一直很有限。

2018年，科學(xué)家利用體外培養(yǎng)的小鼠干細(xì)胞首次構(gòu)建出了人造鼠胚胎。此后很多實驗室通過這種方式模擬小鼠早期發(fā)育，但物種差異的屏障始終存在?！巴ǔＪ褂玫牟溉閯游飳嶒?zāi)Ｐ褪蟮哪遗吲c人類囊胚在形態(tài)上相似，但在一些分子調(diào)控層面確實存在差異，特別著床后胚胎的結(jié)構(gòu)完全不同?！敝袊茖W(xué)院動物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點實驗室研究員李磊在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。

而在實驗室開展人類胚胎相關(guān)研究不僅缺乏材料，而且存在倫理爭議。目前主要利用體外受精（IVF）治療后捐獻(xiàn)的人囊胚進(jìn)行研究，但這些囊胚的可獲得性和使用都受到嚴(yán)格限制。例如在美國，涉及人類胚胎和囊胚的研究目前沒有資格獲得聯(lián)邦資助，一些州甚至完全禁止相關(guān)研究。

科學(xué)家一直渴望能在實驗室培育類似于人類的胚胎，打開人類早期胚胎發(fā)育的“黑匣子”?，F(xiàn)在，吳軍與昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院的合作團(tuán)隊以及澳大利亞莫納什大學(xué)克雷頓校區(qū)發(fā)育生物學(xué)研究者Jose Polo帶領(lǐng)的合作團(tuán)隊分別實現(xiàn)了這一夢想。

兩個研究組從不同的細(xì)胞開始，得到了相似的結(jié)果，在實驗室制造出似于人類胚胎發(fā)育早期階段的“細(xì)胞球”。吳軍和同事用人類胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞建立了人囊胚樣結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)方法；Polo和合作者則從成年人皮膚細(xì)胞開始，構(gòu)建了人囊胚樣的三維培養(yǎng)模型。為了區(qū)別于自然形成的胚胎，他們分別將培養(yǎng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)稱為“人囊胚狀體”和“誘導(dǎo)囊胚狀體”

他們均發(fā)現(xiàn)人囊胚樣結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)6-8天后出現(xiàn)，其大小、形狀以及細(xì)胞總數(shù)與天然囊胚相似。這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)都含有一個腔體和類似內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的細(xì)胞簇。進(jìn)一步全基因組表達(dá)分析表明，它們的細(xì)胞類型與著床前的人類囊胚中細(xì)胞具有相同的分子標(biāo)記，滋養(yǎng)層、外胚層、和內(nèi)胚層三個細(xì)胞譜系的空間組織與著床前的人類囊胚相似。

他們還證明，這些結(jié)構(gòu)具有人類囊胚的重要特性——從其中分離出的細(xì)胞可以用來產(chǎn)生多種干細(xì)胞類型。吳軍與合作者的研究還表明，如果將這些干細(xì)胞移植到小鼠囊胚中，它們會產(chǎn)生與小鼠胚胎中相應(yīng)的小鼠譜系整合的細(xì)胞。

“這是一個重要的里程碑?！泵苄髮W(xué)安娜堡分校的生物工程系研究者傅建平在同期發(fā)表于《自然》的評論文章中認(rèn)為，“這是第一個完整的人類胚胎模型，包含與胎兒及其支持組織的所有創(chuàng)始細(xì)胞譜系相關(guān)的細(xì)胞類型?！?/p>

打開人類早期發(fā)育“黑匣子”

“我們非常興奮！”Polo于16日晚在《自然》舉行的新聞發(fā)布會上說，“有了這項技術(shù)，我們可以制造數(shù)百個這樣的結(jié)構(gòu)。它將使我們不必使用體外受精捐贈的囊胚，就能大規(guī)模研究人類發(fā)展的早期步驟?！?/p>

“這兩項研究是人類類囊胚構(gòu)建工作的第一步，對利用類胚胎模擬人類胚胎發(fā)育及相關(guān)疾病具有很大價值?！眲游锼杉?xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點實驗室副主任李偉在接受《中國科學(xué)報》采訪時評價說。

由于一般實驗室很難獲得人的受精胚胎，類胚胎技術(shù)具有其突出優(yōu)勢。如類胚胎特性穩(wěn)定、數(shù)量無限、均一性強(qiáng)、易于獲得等?；陬惻咛ミ€可以建立藥物篩選模型，通過篩選對早期胚胎發(fā)育致畸的藥物，從而為進(jìn)入臨床應(yīng)用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。

盡管人囊胚樣結(jié)構(gòu)有助打開人類早期發(fā)育“黑匣子”，不過，吳軍和Polo均表示，它們與自然形成的囊胚并不等價，目前尚不能證明類該結(jié)構(gòu)能和真正的胚囊一樣發(fā)育為更復(fù)雜的胚胎結(jié)構(gòu)，因此這些模型不能完全取代對人類囊胚的研究。不過，可以通過這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模實驗，再回到真正胚胎進(jìn)行確認(rèn)，來提高效率和結(jié)果的可靠性。

吳軍在接受《中國科學(xué)報》采訪時還表示，目前獲得該結(jié)構(gòu)的效率也較低。只有約10%~20%的重新編程或轉(zhuǎn)化的細(xì)胞形成類人囊胚樣結(jié)構(gòu)。他表示自己和團(tuán)隊正在繼續(xù)優(yōu)化方法，希望能夠開發(fā)出更加高效和穩(wěn)定的平臺供其他的研究者使用。

治療前景與倫理挑戰(zhàn)并存

近年來，利用受精胚胎或由干細(xì)胞人工構(gòu)建的胚胎在體外延時培養(yǎng)作為體外模型，研究胚胎發(fā)育過程和生殖疾病方興未艾。

李偉表示，目前國內(nèi)也有不少科研團(tuán)隊從事人工胚胎構(gòu)建和胚胎體外延時培養(yǎng)的研究，包括中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）項目“器官重建與制造”也對這方面的研究工作進(jìn)行了前瞻布局和資助。中科院動物所的王紅梅團(tuán)隊和昆明理工大學(xué)的團(tuán)隊去年曾在《科學(xué)》雜志同時報道首次在將非人靈長類胚胎體外培養(yǎng)至受精后20天。

“這些國內(nèi)研究者完成的工作在國際上都處于領(lǐng)先的位置。”李偉說。

同時，在人囊胚樣結(jié)構(gòu)培養(yǎng)方面，今年3月9日和12日，北京大學(xué)第三醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心副研究員于洋和美國加州理工學(xué)院發(fā)育生物學(xué)者M(jìn)agdalena Zernicka-Goetz帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊分別先后在預(yù)印本網(wǎng)站BioRxiv發(fā)文，報告了他們用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞制造出類似人囊胚的結(jié)構(gòu)。不過，這些研究尚未經(jīng)過同行評審。

盡管吳軍等研究者強(qiáng)調(diào)，他們在研究中遵循了“14天規(guī)則”，且制造的相關(guān)結(jié)構(gòu)與自然形成的囊胚不一樣，不能用于創(chuàng)造人類生命。但相關(guān)研究依然挑戰(zhàn)了人們對生命是什么以及何時開始的認(rèn)知，引發(fā)了倫理爭議。

當(dāng)前，人們對生命開始時間的“共識”是從第一個試管嬰兒出生后達(dá)成的。

1978年，第一個通過體外受精（IVF）的嬰兒路易斯·布朗降生，幾個月后，“14天準(zhǔn)則”作為指導(dǎo)原則被提出來，規(guī)定科學(xué)家不能讓人類胚胎在實驗室中發(fā)育超過兩周。由于14天之前的人類胚胎還未分化出神經(jīng)等結(jié)構(gòu)，尚不具備人的特征，因此不涉及倫理問題?！?4天準(zhǔn)則”被認(rèn)為是迄今為止生殖科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最具國際共識的規(guī)則之一。

不過，李偉表示，相比受精胚胎的延時培養(yǎng)，目前用干細(xì)胞人工構(gòu)建的類胚胎只能重現(xiàn)胚胎發(fā)育中的有限部分，距離具備發(fā)育全能性這一個體生命誕生的必要條件，還有十分遙遠(yuǎn)的距離。因此它們被認(rèn)為不應(yīng)與受精胚胎享有同等的倫理地位。

未來隨著實驗的優(yōu)化，人囊胚樣結(jié)構(gòu)將會更加接近于人類囊胚。它們的倫理地位應(yīng)該是什么，其使用應(yīng)該如何被規(guī)范？對此，在李偉看來，科學(xué)的發(fā)展總是伴隨著倫理爭議。一方面，應(yīng)該對相關(guān)研究應(yīng)該鼓勵并支持，因為它對認(rèn)識人類發(fā)育和相關(guān)疾病的發(fā)生機(jī)理具有重要價值；另一方面，與之伴隨的倫理規(guī)范也應(yīng)該由科學(xué)家、倫理學(xué)家和政策制定者盡快共同研討制定。

對此，從事分子胚胎發(fā)育生物學(xué)研究的李磊也持有同樣看法。他認(rèn)為，目前相關(guān)研究尚處于起步階段，科學(xué)共同體有基本的道德底線和倫理規(guī)范，而且還有各種法律和法規(guī)的限制，不必對“實驗室造人”的想法過于擔(dān)憂使其止步不前。“IVF不就是人類干預(yù)的技術(shù)嗎？從1978年至今43年來已經(jīng)誕生了數(shù)百萬人。”

關(guān)于人囊胚樣結(jié)構(gòu)對對輔助生殖的潛在作用，李磊表示，“目前還很難確定”。

“現(xiàn)在，我們僅僅走出了了解人類早期胚胎的第一步，對其深入了解以及探尋還有許多未完成的部分。完善這個結(jié)構(gòu)將能讓我們更加了解生命發(fā)展的過程，也能夠更好地對相應(yīng)的疾病做出應(yīng)對?！眳擒娬f。

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來源：中國科學(xué)報