实验室培养人类胚胎的下一步是什么？

编译 米斛

在阿里·布里瓦卢（Ali Brivanlou）的实验室中正在进行胚胎第13天的实验。他们现在即将面临一项烦人的实验。这个团队的研究方向是发育生物学，他们在此之前解冻了十几个人类胚胎并将它们分别放置在培养皿中，从而观察这些胚胎在发育最早期的成长过程。全世界的研究者只有少部分人见过这个过程。但阿里知道，这一系列实验即将结束。

随着胚胎的生长，它即将超过“14天规则”的限制。14天规则是一项国际共识，该规则要求实验室培养的胚胎只能成长到受精后的第14天。第14天大致是原条出现的时间，而原条的出现标志着胚胎躯体中轴的建立，并开始区分头尾和左右。

回忆起2015年他在纽约洛克菲勒大学实验室的实验，布里瓦卢说：“现在是时候结束这项实验了。这是我一生中做过的最艰难的决定之一。”在胚胎生长的第13天，团队人员将胚胎从培养皿的底部剥离并冰冻以防止其进一步发育。“我们不知道在第14天后会发生什么。”布里瓦卢说。

现在，布里瓦卢和其他的发育生物学家有机会一探究竟。

这张图展示的是实验室培养了12天的人类胚胎。紫色的细胞就是组成人类胚胎的细胞

国际干细胞研究协会（ISSCR）在2021年5月发表的新指南中放宽了14天规则，移除了规则中的硬性规定。尽管全世界只有几个实验室能够充分满足培养人类胚胎14天所需的条件，但科学的进步是很快的。在一些国家中法律允许将胚胎培养至14天之后，而14天规则的松动则让这些国家的研究团队能够向监管者申请将胚胎培养至14天之后。在母体中，胚胎一般在受精一周后着床。而这些研究能够向我们展现着床之后人类胚胎的发育。在着床之后，也就是胚胎受精后大约14～22天，胚胎开始形成原肠。在这一发育阶段中胚胎大致长出了身体的形状，也为器官形成打下了基础。

有1/3的流产和众多先天畸形发生在怀孕初期。通过观察14天之后的胚胎发育，科学家能够更好地理解这些流产和先天畸形的发生机制。此外，这些阶段中隐藏着细胞分化成组织和器官的线索，而这些线索能够推动再生医学的发展。

大多数研究者期望布里瓦卢的团队和其他这一领域的团队能够迅速推动人类胚胎培养技术的发展，从而延长胚胎培养的时间。能够做到这一点的团队之间已经开始了激烈的竞争。在其他国家，这样的研究则被法律所限制。来自昆明理工大学的胚胎学家李天晴表示，一些中国的研究者正在讨论是否修改依据14天规则制定的政策。

所以目前研究人员还不认为会有大量新的关于14天后胚胎的研究，且也不是所有研究者都认可这样的实验。一位来自伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家内奥米·莫里斯（Naomi Moris）说：“我很担心如果把人类胚胎用作科学研究，它们自身的权利能否得到保障。”

为了绕开对胚胎培养的限制，研究者在过去5年间制作了一系列人类胚胎模型，而其中大多数则是由干细胞混合而成。这些模型粗略模仿了许多早期胚胎发育的阶段，并且不使用稀少且会触及伦理学问题的人类胚胎（这些胚胎是接受试管婴儿辅助生殖的人们捐赠的）。截至目前，14天规则并不适用于这些胚胎模型。但当这些由干细胞组成的胚胎模型变得越来越复杂，甚至有发育出可辨识的结构甚至器官的可能时，这些模型就进入了自身所属伦理学范畴的灰色地带。

不论是使用模型或是真正的人类胚胎，科学家知道他们还有很多未知需要探索。来自维也纳奥地利科学院分子生物研究所的干细胞生物学家和胚胎学家尼古拉斯·利伏龙（Nicolas Rivron）说：“胚胎都是伟大的大师，它们告诉我们成型和衰老的全部。”

突破极限

在1979年，伴随着试管婴儿技术的出现，人类胚胎首次在体外出现，14天规则随之被首次提出——即使在当时的条件下这些胚胎仅能存活几天。在国际干细胞研究协会于2006年签署的第一份人类胚胎干细胞研究指南中，14天规则正式在学术界被确立。

这份指南在世界范围内被研究者广泛采纳。在包括德国和奥地利在内的几个国家中，利用人类胚胎进行实验是非法的。而像英国、中国、日本、澳大利亚和加拿大这些国家则将14天规则写入了法律。尽管在诸如美国和以色列等国家只有指南没有法律禁止或限制，但这样的研究不能获得美国联邦政府资助。

国际干细胞研究协会上一次更新发布指南是在2016年，随即就有两个研究组发布了他们突破性的研究成果。

玛格达莱娜·泽尔妮卡-戈茨（Magdalena Zernicka-Goetz）的实验室位于英国剑桥大学。他们在2013年就开始探索将人类胚胎培养超过7天。这个研究组希望了解囊胚形成之后的发育过程。她的研究团队精确地调整了激素和生长因子的配方，并在2016年报道了他们已经能够将人类胚胎培养至第12～13天，同时布里瓦卢的团队也报道了相似的成果。

泽尔妮卡-戈茨说：“我们的发现，例如头部发育的过程，是十分重要的。”泽尔妮卡-戈茨现在同时就职于她在英国和美国加州理工学院的实验室。她补充道：“我被第二、第三、第四周的胚胎发育过程深深吸引着，这段时期的胚胎发育过程无法通过超声了解，但身体主要器官的前体在这段时间开始形成。”

在胚胎生长时，基因在胚胎细胞中如何表达一直困扰着科学家。在迄今规模最大的人类胚胎研究中，泽尔妮卡-戈茨的团队分析了4 820个单细胞。这些细胞来自实验室培养的16个胚胎，包括了从正常着床的第5天到原肠开始形成的第11天的各个阶段。单细胞RNA测序能够反映出哪些基因不再表达，而哪些基因在全能干细胞分化为多能干细胞时表达。

尽管我们已经了解小鼠体内的发育信号，这项研究第一次揭露了参与人类胚胎发育过程的分子。

有些实验只能在实验室培养的人类胚胎上进行。在这些实验中，泽尔妮卡-戈茨和布里瓦卢以及他们的团队都关注到了非整倍体细胞。这些细胞的染色体数目不同于正常细胞，而染色体数目异常则会导致超过一半的早期流产。

试管婴儿技术在临床上一般只会分析几个胚胎细胞的基因情况。但通过实验，我们发现这种分析方法产出的结果可能具有误导性。泽尔妮卡-戈茨的团队发现部分带有非整倍体细胞的胚胎仍能在实验室环境下正常发育。布里卢瓦的团队则分析了人类胚胎从第3天到第14天的基因表达，发现染色体数目异常的细胞在发育的过程中消失了——也可能是发育成了支持组织或细胞因死亡而被清除。两个实验都提示，临床上检测体外受精人类胚胎的非整倍体细胞可能错误地将一些胚胎判定为“不健康”。

布里瓦卢表示，使用人类胚胎对于这些发现是至关重要的。他说“除了通过观察胚胎发育，我们没有别的方法做出这些发现”。他正在设计其他实验——一些可能会将培养期限延长至14天之后——试图发现胚胎是如何清除这些非整倍体细胞的。

两周之后

那些使用动物胚胎进行实验的研究者已经将动物胚胎培养至相当于人类胚胎的14天之后。这些动物胚胎的培养技术能够为延长人类胚胎培养时间铺平道路。2021年3月，在以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所中，雅各布·汉娜（Jacob Hanna）的团队将小鼠胚胎的培养时间从5.5天延长至11天（大致相当于将人类胚胎培养时间从13天延长至30天）。尽管其他研究者认为这一过程是极为困难的，但这些小鼠胚胎都正常地开始了器官发育。

布里瓦卢和泽尔妮卡-戈茨都计划进一步推动人类胚胎培养的极限，就像汉娜的团队在小鼠胚胎上实现了从5.5天至11天的培养时间那样。布里瓦卢希望搞清干细胞内部的基因是如何促使其分化为大脑细胞的，也想了解四腔心是如何在分子的引导下形成的。这两个事件都发生在人类胚胎受精的14天之后，解开这些谜题能够为了解神经发育异常和常见的先天性心脏病的发生机制提供思路。

布里瓦卢和其他的发育生物学家表示，未来，研究者技术上将能够实现在实验室中观察人类胚胎着床的过程。他的团队正在向其所属大学的管理委员会申请将胚胎培养的时限延长至第21天。在这一周中，胚胎会确定哪些结构会发育成大脑、脊髓、骨骼、心脏、血液、肌肉和面部，确定整个身体的发育计划。布里瓦卢说：“我不知道我们能否将胚胎培养延长至14天，但一旦我们成功了，我们需要更加谨慎地进行下一步的实验。”

胚胎模型

研究者已经有一些观察哺乳动物原肠形成过程的方法了。比如，研究者通过观察混合后的干细胞建立胚胎的三维模型，而非使用真的人类胚胎。在过去的五年间，研究者建立了各种各样的胚胎模型来探索14天后的胚胎发育。在大多数情况下，这些胚胎模型不受14天规则或任何特别审查的限制。

这些用于模拟囊胚阶段的胚胎模型是将皮肤细胞重新编程后得到的

密歇根大学位于美国安娜堡。在2017年，该校的一位生物医学工程师傅建平和他的团队完成了第一个通过三维培养人类胚胎干细胞制作的人类胚胎模型。该模型中，这些细胞自发形成了羊膜囊和代表原条形成的第一个标志。这一发现让该领域的科学家大为兴奋。傅建平说：“存在于胚胎干细胞中的这种可能性让人着迷。”

与傅建平制作的模型类似，许多模型现在能够模拟小鼠和人胚胎的最早期阶段，例如：着床，原肠形成以及大脑、脊髓和心脏最初阶段的发育。举例来说，傅建平和其他人构建的类神经模型能够模拟大脑和脊髓的前体的形成过程。傅建平认为这个模型能够帮助研究者培养有正常功能的神经元，而这样的细胞在未来能够移植到患者体内。通过混合干细胞制作的模型经常在外观与行为上类似于真正的胚胎，但我们并不清楚在这些模型内部——分子和细胞的行为是否与正常发育的胚胎一致。

随着人类胚胎模型越发复杂，生长时间越来越长，新的伦理学问题也随之出现。这是傅建平和其他研究者都认同的。比方说模型中的神经元能够发出电信号，或者模型中的心脏能够跳动，甚至有些模型能获得进一步发育的潜能并突破当前所允许的极限。大多数模型缺乏完整胚胎形成所需的充分的生命支持组织。但在过去几年间，许多实验室已经建立了小鼠和人的囊胚期胚胎模型，这些模型被称为“类囊胚模型”。

国际干细胞研究协会已经注意到了这一类型研究。在其发布的指南中，含有这些支持组织的模型必须接受特殊的监管，并且其生长时间应等同于满足科学研究所需的最短时间。当支持组织出现时，这些模型就需要重新进行伦理考量。国际干细胞研究协会委员弗朗西斯·克里克研究所的干细胞生物学家罗宾·贝吉（Robin Lovell Badge）说：“显然，我们需要监督这些领域的研究。”

当胚胎和胚胎模型的研究逐渐深入，科学家开始思考这两者的相似程度，研究者希望了解在模型与真正的胚胎中分子与细胞的行为有多大的差异，而这也是研究者希望将胚胎培养时间延长至14天之后的主要原因。德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的发育生物学家杰西·范利特（Jesse Veenvliet）说：“我们能从模型中了解很多，但了解模型中哪里出了问题也同样重要。”

在2020年，莫里斯和同事比较了小鼠胚胎和小鼠原肠模型的基因表达。他们发现在发育的关键节点上，两者的基因表达有着惊人的相似。她说：“对于人类胚胎和人类原肠模型也应进行这样的基准化分析法，而这需要将人类胚胎培养到第21天。”利伏龙则推测了人类发育各个阶段的分子图谱。

一旦完成充分的基准化分析法，人类胚胎的使用数量将减少。研究者能够使用模型替代真正的胚胎。在那时，除非有足够充分的理由，研究者不会使用人类胚胎进行实验。

设定时限

但研究者如果要观察人类胚胎的发育，他们到底能将人类胚胎培养多久呢？批评者认为国际干细胞研究协会放宽14天规则后没有为研究者提供一个准确的时间限制是一种不负责任的行为。

傅建平是国际干细胞研究协会的成员，他参与了这份新指南的制作，其间参与了100多个线上会议。他说：“现在科学发展如此之快，重新制定一个时间限制是十分困难的。”事实上，这份指南允许相关研究在合理的监管下进行。

而布里瓦卢赞同这一决定，他说：“说实话，突破14天规则有很多好处，甚至能在未来拯救人的生命。”他和贝吉都认为有些突破14天规则的研究不被允许反而是不符合伦理的。这些研究能够解锁器官中不同细胞是如何出现的，也能展示流产和先天畸形是如何发生的。

那么哪些实验和胚胎模型与培养超过14天的胚胎研究采用相同的监管措施呢？此前这一问题并没有明确的结论，而现在国际干细胞研究协会的指南中给出了一个清晰的界限，即只有包含支持组织的模型和理论上存在完全发育可能性的模型需要与培养超过14天的胚胎研究采用相同的监管措施。（这一指南也禁止将实验室中的人类胚胎，人与动物的嵌合体胚胎，以及人类胚胎模型移植到人或动物的子宫内。）

一些研究者对于放宽14天规则持保守态度。莫里斯就是其中一位，他不认为公众真的有机会来衡量14天后胚胎实验的后果。

纽约加里森黑斯廷斯中心的生物伦理学家约瑟芬·约翰斯顿（Josephine Johnston）进一步说：“我认为放弃14天规则的同时没有为胚胎实验设置一个新的时间限制是一个错误。设置时间限制代表着科学界理解并尊重人类胚胎的社会意义。放弃针对胚胎培养的时间限制可能彻底动摇公众对科学界的信任。此外，研究者最好能够解释清楚如何研究培养超过14天的胚胎才能真正帮助人类。他们需要直截了当地解释胚胎研究的细节。尽管这一领域的许多研究看似遥不可及，但缺乏时间限制还是过于大意了。”

资料来源 Nature