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近日，人類胚胎的培育和發(fā)展再一次取得了突破性成果。面對(duì)近年來很多人關(guān)心的人造子宮、體外培育的前沿卻又充滿爭(zhēng)議性的話題，最新一項(xiàng)研究的結(jié)果給出了重要的參考方向。

6月15日，由4個(gè)研究團(tuán)隊(duì)共同發(fā)表于bioRxiv上的“Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Na?ve PSCs”中，研究報(bào)告了使用各類人類干細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)室中成功制造出14天大的與人類自然胚胎高度相似的人造胚胎。該研究報(bào)告所描述和研究的方向和成果，在體外成功復(fù)制和重現(xiàn)了人類胚胎發(fā)育過程中非常難以研究和復(fù)制的一個(gè)時(shí)期。

該研究團(tuán)隊(duì)首先在小鼠實(shí)驗(yàn)中嘗試和成功進(jìn)行了體外人工小鼠胚胎的培養(yǎng)，其中小鼠胚胎的細(xì)胞來源就是幼稚態(tài)多能干細(xì)胞。

細(xì)胞多能性（pluripotency）指的是一個(gè)細(xì)胞生成所有成年后個(gè)體中各類組織細(xì)胞類型的能力，這是早期胚胎發(fā)育的一個(gè)階段性重要特征?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為細(xì)胞多能性至少存在2個(gè)完全不同的狀態(tài)：幼稚態(tài)（naive）和待激活態(tài)（primed）。在細(xì)胞的體外培養(yǎng)中，幼稚態(tài)和待激活態(tài)的多能干細(xì)胞（PSCs）都可以形成三個(gè)胚層。但區(qū)別是，只有幼稚態(tài)多能干細(xì)胞（na?ve PSCs）能有效地促進(jìn)嵌合體動(dòng)物（chimeric animals）的形成。鼠科動(dòng)物胚胎干細(xì)胞（mESCs）幼稚態(tài)是更穩(wěn)定的狀態(tài)，在體外培養(yǎng)中相對(duì)可以較好的維持，但是人類多能干細(xì)胞（hPSCs）的穩(wěn)定狀態(tài)是待激活態(tài)（primed）。在基因操控和基因穩(wěn)定性方面，幼稚態(tài)多能干細(xì)胞比待激活態(tài)多能干細(xì)胞更具優(yōu)勢(shì)，因此，控制和維持幼稚態(tài)人類多能干細(xì)胞一直是一個(gè)難題。

在小鼠中，干細(xì)胞衍生胚胎模型（SEM, Stem cell-derived Embryo Models) 衍生出包含關(guān)鍵胚胎和胚胎外隔室需要的最佳條件，包括高質(zhì)量快速誘導(dǎo)原始內(nèi)胚層 (PrE)，和幼稚多能干細(xì)胞 (PSC) 發(fā)展成的滋養(yǎng)外胚層 (TE)，這是通過成功的分別異位表達(dá)Gata4和Cdx2而實(shí)現(xiàn)的。尤其是Cdx2的成功表達(dá)，為胚胎合成提供了關(guān)鍵和獨(dú)特的平臺(tái)，使得小鼠干細(xì)胞在子宮外環(huán)境的自體組織能在原腸胚形成后，同時(shí)具有器官和胚外隔室的發(fā)展能力，而這一切全都只需要從最開始的幼稚態(tài)多能干細(xì)胞發(fā)展而來（naive PSC）。而更為重要的是，小鼠中的培養(yǎng)結(jié)果證明了，僅僅需要幼稚態(tài)多能干細(xì)胞，就可能足以在體外通過人工培育許多哺乳動(dòng)物的胚胎 (包括人類)，并且與天然胚胎高度相似，而這一過程并不需要通過獲取來自人類胚胎的其他衍生材料就可以實(shí)現(xiàn)，比如滋養(yǎng)層干細(xì)胞 (TSC, trophoblast stem cell) 或PRE/XEN系細(xì)胞（囊胚中的細(xì)胞系）。

圖1.：人類幼稚態(tài)PSC發(fā)展出體外的胚胎細(xì)胞譜系。來源：biorxiv.org

因此，在人類胚胎中，為達(dá)成從幼稚態(tài)多能干細(xì)胞發(fā)展的胚胎體外培養(yǎng)，該研究首先著手建立了一個(gè)類似的模型和體系，通過異位表達(dá)Gata4和Cdx2使得人類幼稚態(tài)PSC發(fā)展出體外的胚胎細(xì)胞譜系 (如圖1所示)。但同時(shí)要嚴(yán)格注意的是，在植入期后、原腸胚形成期前的早期人類胚胎已經(jīng)含有額外的胚胎中胚層室，而這在小鼠中是沒有的。

經(jīng)過漫長(zhǎng)而復(fù)雜的一些列基因誘導(dǎo)和胚胎細(xì)胞系形成，在8天的子宮外培養(yǎng)過程中，聚集體廣泛生長(zhǎng)，胚胎已形成具有明顯組織隔室和內(nèi)腔的3D球形結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2.：顯微鏡下觀察的體外培養(yǎng)8天的人類胚胎。來源：biorxiv.org

這一全新胚胎模型的成功研究和達(dá)成，將可以幫助研究人員更好地在體外環(huán)境了解胚胎的正常和非正常發(fā)育，包括染色體缺陷等先天性胚胎發(fā)育問題。同時(shí)也可以在體外環(huán)境進(jìn)行對(duì)母體無(wú)害的妊娠期用藥安全研究，以及體外胚胎培養(yǎng)的新途徑。

盡管研究中，通過幼稚態(tài)人類多能干細(xì)胞的培養(yǎng)，發(fā)展出了和人類自然胚胎高度相似的胚胎形態(tài)和細(xì)胞簇（如圖3所示），但這些結(jié)構(gòu)并不能概括或等同于人類自然胚胎的所有方面和因素。更多的是作為研究人類胚胎發(fā)育關(guān)鍵階段的補(bǔ)充工具。

圖3：SEM（干細(xì)胞衍生胚胎模型）中外胚層、下胚層和滋養(yǎng)層譜系的表征。來源：biorxiv.org

該領(lǐng)域的一些研究人員也表示，此研究中的體外合成胚胎，并不能完全復(fù)制自然胚胎，因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙僖恍┘?xì)胞譜系，其組織機(jī)構(gòu)也還暫時(shí)沒有明確定義。有學(xué)者指出，真正胚胎的兩個(gè)重要特征仍然存在于精子和卵子的前身中，因而由多能干細(xì)胞發(fā)展來的人類胚胎仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及自然胚胎，但它們將會(huì)是非常有意義和有用途的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

該研究團(tuán)隊(duì)的研究人員現(xiàn)在希望改進(jìn)他們的研究程序，以產(chǎn)生更精確的胚胎替代品，這樣他們就可以更清楚地了解人類早期發(fā)育的過程。同時(shí)，他們會(huì)在人造胚胎與14天大的天然人類胚胎結(jié)構(gòu)和特征相似時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。盡管對(duì)人類體外受精胚胎進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的研究會(huì)帶來更多寶貴的信息和價(jià)值，但14天胚胎一直是人類體外受精胚胎研究中，公認(rèn)的培育時(shí)間上限。

同時(shí)，這一領(lǐng)域的研究也帶來了很多令人擔(dān)憂的倫理問題。比如，在英國(guó)，對(duì)于14天以上的體外受精胚胎的研究是被法律禁止的，因而英國(guó)的輔助生殖行業(yè)也向來非常嚴(yán)格。因出于倫理道德的高度規(guī)范和管理，在歐洲很多國(guó)家，不孕不育者需要達(dá)到非常嚴(yán)格的條件才可以使用體外受精相關(guān)的醫(yī)療手段。

不過，從另一個(gè)角度來說，此次研究中使用的新模型并不是由人類胚胎細(xì)胞中獲取來的，雖然其結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)特征與人類自然胚胎高度相似，但歸根到底，使用的并不是人類的受精卵衍生出來的胚胎細(xì)胞。研究中使用的是多能干細(xì)胞來發(fā)展為人類早期胚胎，因此倫理相關(guān)的法律不適用于該研究中的情況。

綜上，該研究的突破性胚胎培育進(jìn)展為人類胚胎學(xué)和多個(gè)相關(guān)學(xué)科帶來了寶貴的參考信息和全新的潛在研究方法。而這樣一個(gè)全新的體外胚胎發(fā)展方式也許將同時(shí)掀起新的一波人類體外研究的倫理討論熱潮。