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

這是科學家首次在體外構建出完整的人囊胚樣結構。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建的完整人囊胚樣結構——類似于早期人類胚胎的結構。這些實驗的目標是獲得對人類早期發(fā)育的重要見解，找到預防流產(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銜作者、美國得克薩斯大學西南醫(yī)學中心干細胞生物學研究者吳軍在接受《中國科學報》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假設。

盡管科學家強調(diào)，類人囊胚結構僅用于科學研究，尚不能用于生殖，但相關研究依然挑戰(zhàn)了人們對生命是什么以及何時開始的認知，帶來了“實驗室造人”的擔憂，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（約120微米）的球形結構，由上胚層、原始內(nèi)胚層以及滋養(yǎng)層三類細胞組成。其中上胚層細胞會發(fā)育成成體的各種組織，而原始內(nèi)胚層細胞和滋養(yǎng)層細胞則發(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，其中蘊藏的生命密碼卻是人們了解單個細胞發(fā)育成人以及導致遺傳疾病和流產(chǎn)等不孕癥的關鍵。

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，科學家利用體外培養(yǎng)的小鼠干細胞首次構建出了人造鼠胚胎。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褂玫牟溉閯游飳嶒災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構完全不同?！敝袊茖W院動物研究所干細胞與生殖生物學國家重點實驗室研究員李磊在接受《中國科學報》采訪時表示。

而在實驗室開展人類胚胎相關研究不僅缺乏材料，而且存在倫理爭議。目前主要利用體外受精（IVF）治療后捐獻的人囊胚進行研究，但這些囊胚的可獲得性和使用都受到嚴格限制。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研究。

科學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”。現(xiàn)在，吳軍與昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院的合作團隊以及澳大利亞莫納什大學克雷頓校區(qū)發(fā)育生物學研究者Jose Polo帶領的合作團隊分別實現(xiàn)了這一夢想。

兩個研究組從不同的細胞開始，得到了相似的結果，在實驗室制造出似于人類胚胎發(fā)育早期階段的“細胞球”。吳軍和同事用人類胚胎干細胞和誘導多能干細胞建立了人囊胚樣結構的培養(yǎng)方法；Polo和合作者則從成年人皮膚細胞開始，構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)的細胞結構稱為“人囊胚狀體”和“誘導囊胚狀體”

他們均發(fā)現(xiàn)人囊胚樣結構在培養(yǎng)6-8天后出現(xiàn)，其大小、形狀以及細胞總數(shù)與天然囊胚相似。這些細胞結構都含有一個腔體和類似內(nèi)細胞團的細胞簇。進一步全基因組表達分析表明，它們的細胞類型與著床前的人類囊胚中細胞具有相同的分子標記，滋養(yǎng)層、外胚層、和內(nèi)胚層三個細胞譜系的空間組織與著床前的人類囊胚相似。

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

“這是一個重要的里程碑?！泵苄髮W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)始細胞譜系相關的細胞類型?！?/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，我們可以制造數(shù)百個這樣的結構。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)育及相關疾病具有很大價值?！眲游锼杉毎c生殖生物學國家重點實驗室副主任李偉在接受《中國科學報》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、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，從而為進入臨床應用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。

盡管人囊胚樣結構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構能和真正的胚囊一樣發(fā)育為更復雜的胚胎結構，因此這些模型不能完全取代對人類囊胚的研究。不過，可以通過這些結構進行大規(guī)模實驗，再回到真正胚胎進行確認，來提高效率和結果的可靠性。

吳軍在接受《中國科學報》采訪時還表示，目前獲得該結構的效率也較低。只有約10%~20%的重新編程或轉化的細胞形成類人囊胚樣結構。他表示自己和團隊正在繼續(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胞人工構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)也有不少科研團隊從事人工胚胎構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行了前瞻布局和資助。中科院動物所的王紅梅團隊和昆明理工大學的團隊去年曾在《科學》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先的位置?！崩顐フf。

同時，在人囊胚樣結構培養(yǎng)方面，今年3月9日和12日，北京大學第三醫(yī)院生殖醫(yī)學中心副研究員于洋和美國加州理工學院發(fā)育生物學者Magdalena Zernicka-Goetz帶領的研究團隊分別先后在預印本網(wǎng)站BioRxiv發(fā)文，報告了他們用誘導多能干細胞制造出類似人囊胚的結構。不過，這些研究尚未經(jīng)過同行評審。

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

當前，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天準則”作為指導原則被提出來，規(guī)定科學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)等結構，尚不具備人的特征，因此不涉及倫理問題。“14天準則”被認為是迄今為止生殖科學和醫(yī)學領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)，目前用干細胞人工構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，還有十分遙遠的距離。因此它們被認為不應與受精胚胎享有同等的倫理地位。

未來隨著實驗的優(yōu)化，人囊胚樣結構將會更加接近于人類囊胚。它們的倫理地位應該是什么，其使用應該如何被規(guī)范？對此，在李偉看來，科學的發(fā)展總是伴隨著倫理爭議。一方面，應該對相關研究應該鼓勵并支持，因為它對認識人類發(fā)育和相關疾病的發(fā)生機理具有重要價值；另一方面，與之伴隨的倫理規(guī)范也應該由科學家、倫理學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)育生物學研究的李磊也持有同樣看法。他認為，目前相關研究尚處于起步階段，科學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”的想法過于擔憂使其止步不前?！癐VF不就是人類干預的技術嗎？從1978年至今43年來已經(jīng)誕生了數(shù)百萬人?！?/p>

關于人囊胚樣結構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。完善這個結構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的疾病做出應對?！眳擒娬f。

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來源：中國科學報