?驚奇和敬畏讓我們無(wú)時(shí)不謹(jǐn)記這是人類(lèi)最初的樣子，讓我們無(wú)刻不警醒這不僅僅是普通細(xì)胞。圖片來(lái)源：Toby Leigh

在2013年緊張的兩周里，英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Magdalena Zernicka-Goetz正在趕超一項(xiàng)世界紀(jì)錄——她和同事嘗試在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行有史以來(lái)時(shí)間最長(zhǎng)的人體胚胎培養(yǎng)，試圖摸索出這一小團(tuán)細(xì)胞何以發(fā)育成一個(gè)復(fù)雜的多組織結(jié)構(gòu)。之前的研究都在持續(xù)1周后中止了，但Zernicka-Goetz深知，1周后的人體發(fā)育還有很多值得深究之處。

研究人員最初使用的胚胎由那些不再需要接受體外受精的女性捐贈(zèng)。研究團(tuán)隊(duì)將之前小鼠胚胎的培養(yǎng)方式稍加調(diào)整，先把細(xì)胞浸泡在特殊的培養(yǎng)基里，再放入培養(yǎng)箱中。由于胚胎樣本必須處于嚴(yán)格受控的環(huán)境中，研究人員每天只能移動(dòng)一到兩次樣本，在顯微鏡下跟蹤它們的發(fā)育情況。

到了第六天、第七天、第八天，胚胎仍在頑強(qiáng)發(fā)育著。Zernicka-Goetz回憶道，“我們幾乎都屏住了呼吸，一天比一天激動(dòng)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)首次嘗試就堅(jiān)持了12天，并最終達(dá)到13天。她說(shuō)：“一切都難以置信。我高興壞了?！?/p>

與之前來(lái)自美國(guó)紐約的一支團(tuán)隊(duì)一樣，Zernicka-Goetz團(tuán)隊(duì)的成果也是過(guò)去5年來(lái)推動(dòng)早期人體發(fā)育研究為數(shù)不多的亮點(diǎn)之一。由于人體胚胎來(lái)源有限，研究人員對(duì)胚胎早期發(fā)育知之甚少。但目前，細(xì)胞培養(yǎng)方法不斷改進(jìn)，如今體外培養(yǎng)人體胚胎的時(shí)間已能延長(zhǎng)至兩周。科學(xué)家正使用CRISPR等基因編輯技術(shù)，構(gòu)建人造“胚胎樣”結(jié)構(gòu)，用來(lái)研究促進(jìn)形成胚胎以及胚胎支持組織的細(xì)胞信號(hào)和作用力。

這些技術(shù)有助于闡明胚胎早期發(fā)育的關(guān)鍵過(guò)程，如胚胎植入——極小的胚胎一旦植入子宮內(nèi)膜，就難以對(duì)其進(jìn)行直接研究。全新高分辨率數(shù)字圖像讓發(fā)育后幾周里的肌肉和神經(jīng)生長(zhǎng)一目了然。這些發(fā)現(xiàn)能讓研究人員更好地找到出生缺陷、發(fā)育障礙，甚至流產(chǎn)的原因。

新技術(shù)帶來(lái)了新希望，但也把研究人員推入了未知的倫理境地。倫理學(xué)家和科學(xué)家在上世紀(jì)70年代末達(dá)成了“14天規(guī)則” ，要求人體胚胎研究必須在受精后的14天內(nèi)結(jié)束——14天是神經(jīng)系統(tǒng)逐步成形的第一天，也是胚胎分裂的最后一天。到目前為止，國(guó)際公認(rèn)的14天規(guī)則一直是一個(gè)純假設(shè)的限制。

紐約黑斯廷斯中心生物倫理學(xué)家Josephine Johnston表示，“并沒(méi)有人違反這個(gè)規(guī)則，但如今，要突破這個(gè)限制從技術(shù)上說(shuō)是可行的。”

有所不同

動(dòng)物界許多物種的早期發(fā)育過(guò)程都驚人的相似，只是一些基因或信號(hào)稍有不同。在哺乳動(dòng)物中，科學(xué)家對(duì)小鼠發(fā)育的分子作用機(jī)制研究得最為透徹，通過(guò)讓基因逐個(gè)失效來(lái)確定它們的功能。實(shí)驗(yàn)所需的小鼠數(shù)量一般很易獲得，而且小鼠與人類(lèi)的早期細(xì)胞類(lèi)型和細(xì)胞成分較相似，小鼠胚胎因此成了人體胚胎發(fā)育研究的適當(dāng)替代選擇。不過(guò)，研究人員也開(kāi)始懷疑這種相似性究竟能達(dá)到什么程度。

加拿大多倫多兒童醫(yī)院發(fā)育生物學(xué)家Janet Rossant表示，“隨著踏入人體早期發(fā)育研究的大門(mén)，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到小鼠胚胎和人體胚胎雖然相似，但并不一樣?！?/p>

由于人體組織來(lái)源有限，科學(xué)家只能通過(guò)高效的基因編輯技術(shù)輔助探索胚胎的早期發(fā)育。又因?yàn)閲@胚胎遺傳修飾的倫理爭(zhēng)議不斷，迄今為止，只有少部分研究團(tuán)隊(duì)獲準(zhǔn)開(kāi)展這方面的研究。

英國(guó)倫敦弗朗西斯·克里克研究所發(fā)育生物學(xué)家Kathy Niakan團(tuán)隊(duì)率先獲得了監(jiān)管當(dāng)局的批準(zhǔn)。2017年，Niakan團(tuán)隊(duì)報(bào)告了如何使用CRISPR-Cas9技術(shù)對(duì)一個(gè)同時(shí)在人體和小鼠胚胎干細(xì)胞中表達(dá)的基因進(jìn)行編輯。敲除該基因后，人體胚胎會(huì)缺少一種名為OCT4的蛋白，導(dǎo)致胚胎無(wú)法發(fā)育成囊胚。相比之下，同樣敲除該基因的小鼠胚胎卻能發(fā)育成囊胚，之后逐漸萎縮。

這種差異呼應(yīng)了一種越來(lái)越受到認(rèn)同的觀點(diǎn)——即使在發(fā)育早期，一些具體的遺傳信息可能只對(duì)人類(lèi)才有意義，如特定基因何時(shí)被激活等。

找到“新家”

發(fā)育成囊胚后，小囊胚必須在子宮內(nèi)膜著床才能繼續(xù)存活。一旦埋入子宮內(nèi)膜（約第七天時(shí)），科學(xué)家基本無(wú)法繼續(xù)研究囊胚的發(fā)育。第一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何觀察整個(gè)植入過(guò)程。從前，研究人員尚無(wú)可靠手段讓胚胎發(fā)育時(shí)間超過(guò)1周。

如今，這個(gè)黑匣子終于被科學(xué)家打開(kāi)。在2016年5月發(fā)表的兩篇論文中，Zernicka-Goetz團(tuán)隊(duì)和紐約洛克菲勒大學(xué)的Ali Brivanlou團(tuán)隊(duì)首次報(bào)告了能讓人體胚胎培養(yǎng)至12~13天的系統(tǒng)。

研究人員指出，只要以正確比例混合生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，培養(yǎng)皿中的人體胚胎就能“植入”培養(yǎng)皿底部。尤其值得注意的是，胚胎植入后無(wú)需母體組織就能觸發(fā)早期重組步驟。

這一胚胎培養(yǎng)著實(shí)打破了好幾項(xiàng)紀(jì)錄，超過(guò)之前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和通過(guò)流產(chǎn)等渠道獲得的人體組織樣本的有限研究的預(yù)期。

在最新的實(shí)驗(yàn)中，胚胎在植入培養(yǎng)皿底部后，細(xì)胞外層開(kāi)始分化成早期胎盤(pán)和其他類(lèi)型的細(xì)胞，用于支持胚胎發(fā)育。細(xì)胞內(nèi)部也發(fā)育出胚體和卵黃囊前體，這是向胚胎輸送血液的早期結(jié)構(gòu)。在快到14天時(shí)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都遵守14天規(guī)則，結(jié)束了實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)時(shí)，一些胚胎已經(jīng)停止了發(fā)育。不過(guò)研究人員表示，隨著技術(shù)的進(jìn)展，這些培養(yǎng)系統(tǒng)將有助于揭示更多關(guān)于胚胎最初兩周的細(xì)節(jié)。

許多關(guān)鍵事件都會(huì)在第三周的原腸胚形成階段完成。從這時(shí)起，胚胎發(fā)育出體軸，其中一端會(huì)慢慢發(fā)育成頭部。隨后，細(xì)胞開(kāi)始遷移分化，形成三胚層，三胚層最終形成身體全部的組織和器官。這一過(guò)程非常重要，也是倫理天數(shù)限制在14天的主要原因。

現(xiàn)在，一些研究人員開(kāi)始尋找替代方法，通過(guò)人體干細(xì)胞技術(shù)打造合成胚胎樣結(jié)構(gòu)，就可以不受14天規(guī)則的限制。不過(guò)，這種胚胎缺少一些完全發(fā)育所必需的成分，植入后也無(wú)法發(fā)育成人類(lèi)。

在2017年預(yù)印本服務(wù)器bioRxiv發(fā)布的一篇研究中，得州萊斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，生長(zhǎng)因子的動(dòng)態(tài)起到了作用；研究人員發(fā)現(xiàn)特定蛋白組會(huì)使信號(hào)傳導(dǎo)增強(qiáng)，并從外向內(nèi)呈波浪式擴(kuò)散，最終形成不同類(lèi)型的細(xì)胞。

Brivanlou團(tuán)隊(duì)對(duì)這一體系做了更進(jìn)一步的研究。今年5月，研究人員利用混合生長(zhǎng)因子，誘導(dǎo)形成了“組織者”細(xì)胞。這些特殊細(xì)胞能在動(dòng)物體內(nèi)引導(dǎo)周?chē)?xì)胞形成從頭到尾的體軸。不過(guò)，14天規(guī)則在一定程度上限制了科學(xué)家，使他們無(wú)法見(jiàn)證人體組織者細(xì)胞的活動(dòng)。

面對(duì)人體胚胎研究倫理和技術(shù)的雙重限制，Brivanlou只能把假定的人體組織者細(xì)胞群嫁接到發(fā)育中的雞胚胎上，并觀察嫁接的細(xì)胞群如何引導(dǎo)雞細(xì)胞發(fā)育出第二套雞神經(jīng)系統(tǒng)。

不斷發(fā)展

研究人員在破解后期發(fā)育階段方面也取得了不小的進(jìn)展，而大部分進(jìn)展得益于組織染色和成像技術(shù)的提高。

在2016年《科學(xué)》發(fā)表的一份報(bào)告中，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)學(xué)術(shù)醫(yī)學(xué)中心的研究人員將15000 個(gè)各類(lèi)組織的切片進(jìn)行了數(shù)字化處理。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，科學(xué)家希望可以更深入地理解人體發(fā)育，揭示出導(dǎo)致流產(chǎn)和出生缺陷的原因。

對(duì)胚胎早期發(fā)育的進(jìn)一步關(guān)注也引發(fā)了更加激烈的倫理爭(zhēng)論。Zernicka-Goetz和 Brivanlou的延時(shí)實(shí)驗(yàn)讓重新權(quán)衡“14天規(guī)則”利弊的聲音再次出現(xiàn)。

5月，萊斯大學(xué)貝克健康與生物科學(xué)研究所舉辦的一場(chǎng)會(huì)議邀請(qǐng)了30位美國(guó)科學(xué)家、倫理學(xué)家和其他領(lǐng)域?qū)＜?，共同探討是否?yīng)該以及如何調(diào)整14天規(guī)則。

有與會(huì)專家表示，14天規(guī)則應(yīng)該保留，同時(shí)允許特殊情況下破例。

隨著這方面的研究結(jié)果不斷涌現(xiàn)，技術(shù)進(jìn)步讓科學(xué)家既欣喜又不安。Johnston認(rèn)為兩種情緒都值得重視?！绑@奇和敬畏讓我們無(wú)時(shí)不謹(jǐn)記這是人類(lèi)最初的樣子，讓我們無(wú)刻不警醒這不僅僅是普通細(xì)胞。”她說(shuō)。（魯亦編譯）