首個(gè)人類胚胎模型意味著什么？

楊智杰

圖／視覺中國

當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月14日，在美國波士頓舉行的國際干細(xì)胞研究學(xué)會(huì)年會(huì)上，劍橋大學(xué)和加州理工學(xué)院教授馬格達(dá)雷娜·澤尼克-格茨宣布了其團(tuán)隊(duì)近期的研究成果。她表示，其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了全世界首個(gè)具備羊膜和生殖細(xì)胞的人類胚胎模型，并發(fā)布了未經(jīng)同行評議的預(yù)印本論文。

幾乎同一時(shí)期，以色列魏茨曼科學(xué)研究所雅各布·漢納團(tuán)隊(duì)、中國昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院李天晴團(tuán)隊(duì)、美國匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院副教授莫·易卜拉欣卡尼團(tuán)隊(duì)，也相繼發(fā)表預(yù)印本文章，公開相似的研究成果。

傅劍平是密歇根大學(xué)安娜堡分校生物醫(yī)學(xué)工程系教授。2017年，他和團(tuán)隊(duì)共同構(gòu)建了世界上第一個(gè)三維、但不完整的人類胚胎模型，在該領(lǐng)域引發(fā)轟動(dòng)。他還曾擔(dān)任國際干細(xì)胞研究學(xué)會(huì)（ISSCR）指南工作組成員。傅劍平對《中國新聞周刊》說，6年來，他目睹了類胚胎模型這一前沿領(lǐng)域的飛快進(jìn)展， “快到政策監(jiān)管已跟不上它的發(fā)展速度”。但他同時(shí)表示，現(xiàn)在的人類胚胎模型，離真正發(fā)展為一個(gè)鮮活的生命還有很長的距離。

完整人類胚胎模型首次活到14天

如果以周計(jì)算，一個(gè)新生命是這樣誕生的：精子和卵子結(jié)合后，第一周，受精卵迅速分裂、發(fā)育，形成中空的囊胚。大約從第二周起，囊胚開始著床，即進(jìn)入子宮，以便從母體吸收營養(yǎng)。受精第14天時(shí)，囊胚已分化出了滋養(yǎng)層、上胚層和下胚層細(xì)胞。第三周起，胚胎進(jìn)入原腸胚階段，上述三種胚層細(xì)胞會(huì)發(fā)展為不同的器官，比如，外胚層發(fā)育成皮膚、眼睛等，中胚層發(fā)育成排泄、循環(huán)系統(tǒng)等，內(nèi)胚層發(fā)育為呼吸道、肝臟等。

一直以來，囊胚進(jìn)入子宮后，受倫理和技術(shù)限制，人類該階段的早期胚胎發(fā)育機(jī)制都是難以破解的“黑匣子”。人們了解的相關(guān)知識，只能來自于對其他哺乳動(dòng)物胚胎的研究。昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院教授李天晴向《中國新聞周刊》介紹，臨床數(shù)據(jù)顯示，約30％的人類胚胎無法成功著床，在胚胎著床后的一兩周內(nèi)，還有約30％的人自然流產(chǎn)，原因無從得知。

近年來，國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)希望借助胚胎干細(xì)胞，生成人類早期胚胎的“復(fù)制品”，模擬胚胎自然發(fā)育，尋找早期流產(chǎn)和胎兒先天性缺陷的成因。此外，胚胎模型也有助于解釋細(xì)胞分化的機(jī)制，促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)發(fā)展。

近期，上述四個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都表示在實(shí)驗(yàn)室生成了著床后的胚胎模型，主要差別在于實(shí)驗(yàn)方式的不同。澤尼克-格茨團(tuán)隊(duì)使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將兩個(gè)成熟細(xì)胞轉(zhuǎn)化為具有胚胎形態(tài)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，再與一個(gè)胚胎干細(xì)胞結(jié)合，生成胚胎模型。易卜拉欣卡尼團(tuán)隊(duì)則對誘導(dǎo)多能干細(xì)胞進(jìn)行基因改造，形成胚胎和胚外組織，模擬胚胎發(fā)育。李天晴向《中國新聞周刊》介紹，該團(tuán)隊(duì)通過模擬囊胚的結(jié)構(gòu)，將三種胚層細(xì)胞組合，使其在合適實(shí)驗(yàn)條件下，生成人類胚胎模型，“在外觀和結(jié)構(gòu)上和人類真實(shí)的胚胎非常相似”。漢納團(tuán)隊(duì)與李天晴團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)方式相似。

但目前，這四項(xiàng)研究均未通過同行評議。當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月16日，多位發(fā)育生物學(xué)家通過英國非營利機(jī)構(gòu)《科學(xué)媒介中心》，表達(dá)了對澤尼克-格茨和漢納團(tuán)隊(duì)預(yù)印本論文的看法。德國馬斯克·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所博士杰西·維弗利特認(rèn)為，漢納團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)混合物將胚胎干細(xì)胞帶入正確的狀態(tài)，似乎比使用轉(zhuǎn)基因效果更好。巴塞羅那大學(xué)遺傳學(xué)教授杰瑪·馬凡尼也認(rèn)為，從預(yù)印本來看，漢納團(tuán)隊(duì)的胚胎模型結(jié)構(gòu)上更像自然胚胎，而澤尼克-格茨小組胚胎模型的結(jié)構(gòu)較差。

在傅劍平看來，這四個(gè)小組的成果，尤其是漢納團(tuán)隊(duì)和李天晴團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的模型，能夠模擬完整的人類胚胎從著床到原腸胚開始階段，是這些研究與過去相比最令人振奮的地方。

合成人類胚胎模型已發(fā)展多年。2017年3月，澤尼克-格茨團(tuán)隊(duì)在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表研究成果，其團(tuán)隊(duì)將小鼠的胚胎干細(xì)胞和滋養(yǎng)層干細(xì)胞放在同一個(gè)培養(yǎng)皿中，讓它們“對話”，這些干細(xì)胞自主發(fā)育，實(shí)現(xiàn)了人類第一次在體外構(gòu)建人造小鼠胚胎。李天晴告訴《中國新聞周刊》，澤尼克-格茨的實(shí)驗(yàn)是該領(lǐng)域極為重要的突破，此后，越來越多團(tuán)隊(duì)投身合成胚胎的研究。

馬格達(dá)雷娜·澤尼克-格茨。圖/劍橋大學(xué)

受精第8天時(shí)，自然的（上）與人工合成的（下）小鼠胚胎看起來相似，兩者均可見大腦與心臟結(jié)構(gòu)。圖/Amadei and Handford

2017年，傅劍平研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了第一個(gè)三維的人類胚胎模型，類胚胎發(fā)展到第二周，形成了羊膜囊及原腸胚開始發(fā)育的一些特征。不過，傅劍平向《中國新聞周刊》介紹，當(dāng)時(shí)，他們團(tuán)隊(duì)的成果缺乏構(gòu)成胎盤的滋養(yǎng)層細(xì)胞，生成的是一個(gè)不完整的胚胎模型。

此外，科學(xué)家也在努力延長胚胎模型在體外的存活時(shí)間。2021年，美國得克薩斯西南醫(yī)學(xué)研究中心教授吳軍團(tuán)隊(duì)和澳大利亞蒙納士大學(xué)教授何塞·波羅團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志分別發(fā)表論文，生成了完整的囊胚模型。李天晴介紹，直到2022年，相關(guān)研究還停留在類囊胚階段，讓類囊胚持續(xù)發(fā)育到著床，效果并不好。

2022年9月，漢納和澤尼克-格茨團(tuán)隊(duì)先后利用小鼠胚胎干細(xì)胞生成胚胎模型，與受精第8.5天的真實(shí)小鼠胚胎相似。澤尼克-格茨團(tuán)隊(duì)表示，合成小鼠胚胎發(fā)育出了大腦和跳動(dòng)的心臟，相當(dāng)于進(jìn)入人類胚胎的原腸胚階段。這些突破直接推動(dòng)了人類胚胎模型的發(fā)展。漢納團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本中提到，此次研究，他們重復(fù)了合成小鼠胚胎的方法。在傅劍平看來，此次四個(gè)團(tuán)隊(duì)能幾乎同時(shí)產(chǎn)出研究成果，正是因?yàn)椤叭f事俱備”。該領(lǐng)域的研究者已經(jīng)可以將自然人類胚胎體外培養(yǎng)時(shí)間從7天延長到14天，而且，相關(guān)研究在小鼠和非人類靈長類動(dòng)物胚胎模型的方向上取得了突破進(jìn)展。如今很多相關(guān)技術(shù)開始運(yùn)用到人類胚胎模型上。

但多位專家強(qiáng)調(diào)，目前的人類胚胎模型，并不等于真實(shí)的人類胚胎。檢驗(yàn)人類胚胎模型與自然胚胎是否相似，一個(gè)核心標(biāo)準(zhǔn)是，驗(yàn)證合成胚胎模型能否持續(xù)發(fā)育，成長為胎兒。但因技術(shù)和倫理限制，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室只能將合成胚胎模型培養(yǎng)至第14天便銷毀。傅劍平介紹，目前，研究者只是觀察胚胎模型的形狀、細(xì)胞數(shù)量和組成、細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)是否與自然胚胎相似。在此前提下，研究者還會(huì)觀察模型的蛋白質(zhì)、基因表征等，進(jìn)一步判斷兩者相似度。

李天晴告訴《中國新聞周刊》，他們將合成的人類胚胎模型與自然胚胎發(fā)育的照片對比，觀察到兩者結(jié)構(gòu)高度相似，“但結(jié)構(gòu)相似不代表它們是一樣的”。這其中的一大難題是，合成人工胚胎的研究尚處于初步階段，“我們甚至都不知道，受精后第二周的人類自然胚胎長什么樣，沒有參考資料，也缺乏研究手段”。李天晴介紹，此次研究中，他們優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，顯著提升了類胚胎存活到14天的有效率，但對哪些因素會(huì)影響胚胎發(fā)育，仍需進(jìn)一步研究。

胚胎模型會(huì)長成嬰兒嗎？

合成人工胚胎領(lǐng)域的每一次發(fā)展，都伴隨著激烈的倫理爭議。隨著人類胚胎模型存活時(shí)間的延長，與真實(shí)胚胎的形狀越來越像，人們擔(dān)憂，胚胎模型是否有一天會(huì)長成真正的嬰兒？ 就像赫胥黎在《美麗新世界》中所描寫的反烏托邦世界，人類在名為“繁育中心”的胚胎工廠，以流水線的方式繁殖后代。

2019年～2021年，傅劍平擔(dān)任ISSCR指南工作組成員。他對《中國新聞周刊》提到，ISSCR并不認(rèn)同合成人工胚胎的表述，更傾向于稱其為“胚胎模型”。這能更準(zhǔn)確反映出多數(shù)實(shí)驗(yàn)者的目的——?jiǎng)?chuàng)建的并非一個(gè)“胚胎”，而是一個(gè)模型，避免公眾恐慌。而且，ISSCR指南明確，禁止將人類研究胚胎模型、人類-動(dòng)物嵌合胚胎移植到動(dòng)物或人類子宮中。

近期發(fā)表相關(guān)成果的科學(xué)家也都強(qiáng)調(diào)，他們并不打算將胚胎模型植入人類子宮中。李天晴表示，研究胚胎模型的目的，是為了研究著床發(fā)育失敗、早期器官發(fā)育的機(jī)制，未來探索在體外構(gòu)建類器官，用于研究人類發(fā)育和藥物毒理學(xué)、藥物篩選測試等。

此外，過去40多年，“14天規(guī)則”是一項(xiàng)被廣泛接受的人類胚胎培養(yǎng)的國際倫理原則。早在1984年，英國政府為回應(yīng)大眾對試管嬰兒的恐慌，將“14天”規(guī)定為體外受精的人類胚胎存活的時(shí)間界限，寫入《沃諾克報(bào)告》。為什么是14天？相關(guān)研究者認(rèn)為，14天后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)開始發(fā)育，胚胎可能會(huì)感受到疼痛。

目前，已有十多個(gè)國家將“14天規(guī)則”寫進(jìn)法律或倫理指南。2021年5月，ISSCR發(fā)布更新版《干細(xì)胞研究和臨床轉(zhuǎn)化指南》（以下簡稱《指南》）?！吨改稀贩艑捔?4天的限制，允許在特殊情況下，一些研究者可以向所在國家監(jiān)管部門申請研究發(fā)育14天后的人類胚胎，但未明確規(guī)定培養(yǎng)天數(shù)的上限，這帶來了潛在的倫理風(fēng)險(xiǎn)。

新版《指南》提到了對人類胚胎模型的監(jiān)管，如果模擬的是特定發(fā)育階段或特定的胚胎結(jié)構(gòu)，而非完整胚胎或胎兒的持續(xù)發(fā)育，經(jīng)相關(guān)監(jiān)管委員會(huì)評估后，可免于專門的科學(xué)和倫理監(jiān)督程序。傅劍平參與更新了新版《指南》。他對《中國新聞周刊》說，彼時(shí)，工作組都沒想到人類胚胎模型的研究進(jìn)展如此之快?！靶掳妗吨改稀吩黾恿藢θ祟惻咛ツＰ偷墓芾?xiàng)l件，但并不全面，只是提出，如果人類胚胎模型包括完整的細(xì)胞譜系，科學(xué)家在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要格外小心，并需證明研究的合理性?！?/p>

“14天規(guī)則”明確限制的是受精后的人類胚胎體外培養(yǎng)。不少國內(nèi)外相關(guān)研究者認(rèn)為，胚胎模型只是類胚胎，不受其監(jiān)管。有學(xué)者提出，在人類胚胎模型不斷發(fā)展的當(dāng)下，業(yè)內(nèi)需要就“什么是胚胎”達(dá)成一致。“只能由精子和卵子結(jié)合產(chǎn)生，還是只需要有相同的細(xì)胞類型或者結(jié)構(gòu)，抑或是發(fā)育的潛力？”

“如果回到5年前，我對人類胚胎模型的監(jiān)管看法可能跟很多研究者相同。”傅劍平對《中國新聞周刊》說。但近5年，越來越多實(shí)驗(yàn)室投入研究，人類胚胎模型已成為發(fā)育生物學(xué)和干細(xì)胞生物學(xué)中最火熱的領(lǐng)域，這讓他變得更為謹(jǐn)慎。他認(rèn)為，如果胚胎模型和人類的自然胚胎有一樣的細(xì)胞及一致的細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)，盡管目前生成方式上仍有差異，從倫理和管理角度看，胚胎模型和自然胚胎應(yīng)受到同等看待和管理。但業(yè)內(nèi)并未就此形成共識。

短期內(nèi)，人類胚胎模型在體外存活的時(shí)間超過兩周，在技術(shù)上仍是難題。漢納描述說，制作一個(gè)人類胚胎模型，不僅讓它發(fā)展到第14天，還要具備胚胎應(yīng)有的所有特征，并且羊膜腔、中胚層、下胚層、滋養(yǎng)層都在正確的位置，這是目前該領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。他在預(yù)印本中提到，目前胚胎模型存活到第14天的比例很低。

但從長遠(yuǎn)看來，超過14天的人類胚胎模型研究是一個(gè)必然趨勢。漢納在回復(fù)《中國新聞周刊》的郵件中明確提到，創(chuàng)建這些胚胎模型的終極目的，是為了在培養(yǎng)皿中生成由干細(xì)胞分化的器官，因此他們必須了解人類胚胎如何形成器官，這往往發(fā)生在胚胎發(fā)育的第7～35天。

受訪研究者認(rèn)為，避免倫理爭議的一種辦法是，科學(xué)家在設(shè)計(jì)模型時(shí)，構(gòu)建不完整細(xì)胞譜系的類胚胎，比如，不加入會(huì)發(fā)展為胎盤的滋養(yǎng)層細(xì)胞，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒎鞘恰霸烊恕?。在傅劍平看來，這是胚胎模型能繼續(xù)發(fā)展、同時(shí)能通過倫理審查的唯一途徑?！坝霉こ痰氖侄蝸砜刂坪驼{(diào)節(jié)胚胎模型的發(fā)育，做一些更有實(shí)際意義又不超越倫理限度的工作。”傅劍平說。

傅劍平認(rèn)為，ISSCR出臺的《指南》只是行業(yè)指導(dǎo)規(guī)范，更重要的是，各國政府部門和研究資助機(jī)構(gòu)要盡快出臺相關(guān)管理政策?！把芯總惱矸矫娴恼咭欢ㄒ?，規(guī)劃好倫理紅線，而且要非常嚴(yán)格地執(zhí)行，這對人類胚胎模型研究的可持續(xù)性非常重要。”傅劍平說。

體外培養(yǎng)食蟹猴胚胎雙光子三維重構(gòu)（上）及示意圖（下）。圖／昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院