圖注：在實驗室內(nèi)培育人類胚胎。（圖/托比·利）

出品|網(wǎng)易科學(xué)人欄目組翟中超

2013年年中的兩個星期，發(fā)育生物學(xué)家瑪格達(dá)萊納·澤尼卡-格茨（Magdalena Zernicka-Goetz ）非常忙碌，因為她正在追逐一個世界紀(jì)錄。澤尼卡-格茨和她在英國劍橋大學(xué)的同事正試圖在實驗室培育人類胚胎，而他們要培育的胚胎比以往任何時候都要長！澤尼卡-格茨他們想要更深地了解一團(tuán)微小的細(xì)胞是如何將自身轉(zhuǎn)變成一個復(fù)雜的多部分結(jié)構(gòu)。在研究開始的一星期后，研究團(tuán)隊不得不考慮終止胚胎發(fā)育，澤尼卡-格茨很清楚，在人類胚胎發(fā)育這個大問題上，除了研究本身，我們還有很多東西要處理，比如說倫理。

有些女性捐獻(xiàn)過卵細(xì)胞，而現(xiàn)在她們不需要再進(jìn)行體外受精了，研究人員就用這些卵細(xì)胞展開胚胎研究。研究小組將細(xì)胞浸泡在一種特殊的培養(yǎng)基中，并將其安置在保溫箱中，這和之前研究小鼠胚胎的方法是一樣的。因為樣本必須放在嚴(yán)格控制的環(huán)境中，所以科學(xué)家每天只能將這些樣本取出一兩次，以在顯微鏡下追蹤進(jìn)展。

日子一天天過去，6天、7天，到了第8天，胚胎仍在繼續(xù)茁壯成長?！拔覀兌计磷×撕粑?，”澤尼卡-格茨回憶道?！耙惶焯熳兊迷絹碓郊尤诵?。”這支團(tuán)隊將試驗進(jìn)行了12天，這是最長的一次，最終他們進(jìn)行了13天?！斑@真是難以置信，我對此很興奮，”澤尼卡-格茨說道。

澤尼卡-格茨團(tuán)隊取得的進(jìn)步，以及紐約的一個研究團(tuán)隊所做的類似壯舉，是過去5年里此領(lǐng)域為數(shù)不多的幾項成就之一，他們都致力于促進(jìn)早期人類發(fā)展的研究。研究人員對人類胚胎的接觸一直有限，而且他們對人類胚胎的早期轉(zhuǎn)變知之甚少。但現(xiàn)在，細(xì)胞培養(yǎng)方法的改進(jìn)使研究人員在體外培養(yǎng)人類胚胎的時間增長至兩周?？茖W(xué)家利用基因編輯技術(shù)，如CRISPR技術(shù)，來構(gòu)建人造胚狀結(jié)構(gòu)，以探索形成胚胎的細(xì)胞信號和物理作用力（也可理解為環(huán)境因素），因為后兩者對塑造胚胎及胚胎的支撐組織起到重要作用。

這些技術(shù)在早期主要流程中很重要，比如說著床，著床就是胚胎在很小時將自己嵌到子宮壁上，而到了這個階段，科研人員也就沒法直接對胚胎的進(jìn)展進(jìn)行研究了。新的高分辨率數(shù)字圖像技術(shù)這是就用上場了，這種技術(shù)可以很好地揭示胚胎肌肉和神經(jīng)在未來幾周后的發(fā)育過程。研究這些，我們就能更好地理解先天缺陷和發(fā)育障礙是如何產(chǎn)生的，還能了解為什么有些懷孕會失敗。

新技術(shù)幫了大忙，但同時也將研究人員推向了未知的倫理領(lǐng)域。從20世紀(jì)70年代末開始，倫理學(xué)家和科學(xué)家就“14天法則”達(dá)成了一致。也就是說，對人類胚胎的研究限制在受精后的兩周內(nèi)，因為兩周時胚胎就可能第一次表現(xiàn)出有神經(jīng)系統(tǒng)的跡象，這也是胚胎分裂的前兆。直到如今，國際公認(rèn)的14談法則一直是一個純粹的假設(shè)限制，因為我們是根據(jù)對除人外的其他動物的研究來定的時間紅線?！安⒉皇敲總€人都認(rèn)可這個法則，而且現(xiàn)在在技術(shù)上可以突破這一法則?！奔~約加里森黑斯廷斯中心的生物倫理學(xué)家約瑟芬·約翰斯頓（Josephine Johnston）說道。

胚胎操作指南

整個動物界，許多早期發(fā)育過程都有著驚人的相似性，每個物種都會在這一階段調(diào)整基因或細(xì)胞信號。在哺乳動物中，科學(xué)家研究最多的是小鼠的胚胎，他們會將每個基因挨個禁用，以測試每個基因的作用。研究小鼠以獲得數(shù)據(jù)相對容易，而且小鼠也被認(rèn)為是研究人類胚胎發(fā)育的良好指標(biāo)，因為小鼠和人的許多早期細(xì)胞類型和成分比較相似。但研究人員現(xiàn)在開始質(zhì)疑這種相似之間的差異究竟有多大?！拔覀兌嗌僖呀?jīng)能夠探索一點人類早期的發(fā)展的情況，但有一點很明顯，老鼠和人類胚胎相似，但相似并非一模一樣，”加拿大多倫多兒童醫(yī)院的發(fā)育生物學(xué)家珍妮特·羅森特（Janet Rossant）說道。

圖注：人類胚胎分裂過程圖示。幾十年來，由于技術(shù)有限，研究人員只能利用動物實驗或?qū)M織樣本的研究來揣測人類胚胎發(fā)育的早期過程?，F(xiàn)在技術(shù)發(fā)展了，科學(xué)家能在實驗室內(nèi)培育人類胚胎，還能利用人類干細(xì)胞培養(yǎng)胚狀結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家利用基因編輯技術(shù)阻斷了人類胚胎早期發(fā)育階段中一個重要的蛋白質(zhì)，這個蛋白叫Oct4，Oct4一被阻斷，胚胎就無法發(fā)育成200細(xì)胞囊胚。為什么要提Oct4呢？這回答了上文的疑問，因為小鼠胚胎發(fā)育后期Oct4活動就不明顯，這就是人和小鼠在胚胎發(fā)育早期階段的不同點之一。正是這些小進(jìn)步、小發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家才能逐漸打開人類早期胚胎發(fā)展的黑匣子。（圖/諾拉·福格蒂；凱西·尼亞坎）

可用于試驗的人體組織比較有限，于是科學(xué)家開始利用高效的基因編輯技術(shù)，比如說CRISPR–Cas9，來探索胚胎發(fā)育的早期階段。到目前為止，只有少數(shù)幾個研究團(tuán)體獲得了開展此類研究的授權(quán)，部分原因大家都能猜到，因為胚胎基因改造具在倫理上比較敏感。

在倫敦弗朗西斯·克里克研究所，發(fā)育生物學(xué)家凱西·尼亞坎（Kathy Niakan）領(lǐng)導(dǎo)著此領(lǐng)域第一個獲得國家監(jiān)管結(jié)構(gòu)批準(zhǔn)的研究項目。2017年，凱西的團(tuán)隊報告稱，他們使用CRISPR–Cas9技術(shù)來編輯人類和小鼠胚胎干細(xì)胞中的一個基因表達(dá)，就是把上文中提到的Oct4蛋白質(zhì)去掉。去掉之后，人類早期胚胎成不了囊胚了，而小鼠的卻能形成囊胚，但后期發(fā)育也會接近停滯。

科學(xué)界有一種觀點受到越來越多的支持，即，在非常早期的發(fā)展中，某些基因細(xì)節(jié)，如某些基因的活躍性可能只針對人類有用，上面提到的人和小鼠的對比試驗就是例子?！按蠖鄶?shù)體外受精胚胎無法發(fā)育到囊胚階段，但目前尚不清楚原因，搞清楚哪一步會決定或影響胚胎中第一個細(xì)胞類型將有利于我們改善體外受精成功率?！蹦醽喛舱f道。在未來的工作中，尼亞坎希望研究人類哪些基因會使一小部分囊胚細(xì)胞繼續(xù)發(fā)育成更成熟的胚胎。

何處是我家

在形成一個有著200細(xì)胞的小球后，小囊胚必須嵌入子宮壁才能存活，這一過程大概在受精后第七天進(jìn)行。但是一旦囊胚嵌到子宮壁上，科學(xué)家也就在很大程度上無法繼續(xù)研究接下來的發(fā)展情況。觀察著床過程本身就是第一個挑戰(zhàn)，在最近之前，研究人員一直缺乏可靠的方法來維持胚胎發(fā)育超過第一周。

現(xiàn)在，科學(xué)家打開了第一個挑戰(zhàn)的黑匣子。在2016年5月發(fā)表的兩篇論文中，澤尼卡-格茨團(tuán)隊和紐約洛克菲勒大學(xué)阿里·布里瓦盧團(tuán)隊報告了第一例能夠?qū)⑷祟惻咛ヅ嘤?2至13天的培養(yǎng)系統(tǒng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，有了正確的生長因子和營養(yǎng)成分，培養(yǎng)基中的人類胚胎就能“植入”到培養(yǎng)皿底部的表面上。值得注意的是，胚胎不需要任何母體組織來觸發(fā)“植入”后的早期重構(gòu)步驟?！拔覍Υ烁械胶苷痼@，”布里瓦盧回憶道。“我本以為在實驗室中胚胎進(jìn)行這種附著后活不了一兩天?！?/p>

實驗中，胚胎附著的培養(yǎng)皿要比真正的子宮壁平整的多，這是和實際情況不同點之一。但即便如此，人工培養(yǎng)的胚胎還是創(chuàng)造了幾個里程碑，而此前，我們只能利用動物實驗，或者用流產(chǎn)后收集的人類組織樣本進(jìn)行有限的研究。在最新的實驗中，

當(dāng)胚胎附著在培養(yǎng)皿上后，外部細(xì)胞層開始分化為早期的胎盤以及其他細(xì)胞類型以支持胚胎的成長。在內(nèi)部，細(xì)胞似乎發(fā)展成胚胎的前體和卵黃囊，而卵黃囊是為胚胎提供血液的早期結(jié)構(gòu)。大概兩周后，兩個研究小組按照14天法則都結(jié)束了試驗。

試驗結(jié)束了，一些胚胎的發(fā)育過程也就結(jié)束了。但研究人員表示，如果下一次進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，這些培養(yǎng)系統(tǒng)就可以幫助我們發(fā)現(xiàn)胚胎頭兩周發(fā)育的更多細(xì)節(jié)。

圖注：即使不植入子宮，胚胎也能自我組織。圖片上半部分，體外培養(yǎng)胚胎中的細(xì)胞開始分化成多種細(xì)胞類型，其中紫色部分將變成更成熟的胚胎，而羊膜腔也在形成，羊膜腔將圍繞著胚胎而成長。在動物當(dāng)中，從第15天開始，從頭到尾的身體中軸以及神經(jīng)系統(tǒng)開始出現(xiàn)。但有科學(xué)家對人類干細(xì)胞培養(yǎng)出的胚胎進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)了不同的結(jié)果，他們對14天法則提出了不同的意見。（圖/瑪格達(dá)萊納·澤尼卡-格茨團(tuán)隊；尼克·斯藩塞）