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??！边@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。“并不是每個人都認(rèn)可這個法則，而且現(xiàn)在在技術(shù)上可以突破這一法則。”紐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(diǎn)人類早期的發(fā)展的情況，但有一點(diǎn)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。現(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(diǎn)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(diǎn)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。“我對此感到很震驚，”布里瓦盧回憶道?！拔冶疽詾樵趯嶒炇抑信咛ミM(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(diǎn)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）

在第三周，也就是原腸胚形成的過程中，會發(fā)生幾個關(guān)鍵事件。胚胎開始形成一個身體中軸，而軸的一端注定會發(fā)育成頭部。所有的細(xì)胞開始遷移并分化成三層，這將最終形成人體所有的器官和組織。這個過程太重要了，因此這也是履行14天法則的主要原因。

一些研究人員正在尋找替代方法，他們利用人類干細(xì)胞技術(shù)構(gòu)建合成胚狀結(jié)構(gòu)，這種情況就不用遵循14天法則了。這類構(gòu)建缺少全面發(fā)展的某些至關(guān)重要的組件，因此，即使被植入子宮，也發(fā)育不成胎兒。2014年，布里瓦盧、埃里克·西賈和他們在洛克菲勒大學(xué)的同事發(fā)布報告稱，他們利用專門培養(yǎng)的人類胚胎干細(xì)胞在體外模擬了原腸胚形成的過程。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干細(xì)胞被限制在幾百微米的范圍內(nèi)生長時，這些干細(xì)胞就能分化成一種外形看起來像牛眼的細(xì)胞，而這種牛眼一樣的細(xì)胞又包含著能發(fā)育成身體所有部分的三種主要細(xì)胞類型。從扁形蟲到靈長類，幾乎在所有的動物中，這些細(xì)胞類型都具有類似的作用：中心的細(xì)胞變成皮膚、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，中間層細(xì)胞變成肌肉、血液、骨骼和各種器官，最外層的細(xì)胞會變成消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)。

這類構(gòu)建的胚狀結(jié)構(gòu)看起來比較扁，而真正的人類胚胎的構(gòu)造則比較立體，盡管有差異，但在細(xì)胞和分子水平上，研究人員原本就期望獲得這種效果。“利用一個系統(tǒng)，我們能分析信號通路和細(xì)胞命運(yùn)之間的關(guān)系，”西賈實驗室前博士后研究員阿里耶·瓦姆弗萊士（Aryeh Warmflash）說道。

圖注：胚狀體內(nèi)的一波又一波信號，紅色和黃色信號更強(qiáng)，藍(lán)色信號稍弱，這種信號強(qiáng)弱的差異促使了細(xì)胞的分化。（圖/易德塞·海姆斯凱克；阿里耶·瓦姆弗萊士/美國萊斯大學(xué)）

對該系統(tǒng)的后續(xù)研究已經(jīng)揭示了胚胎細(xì)胞如何利用幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)過程來自我組織成不同的組織類型。2016年，布里瓦盧、西賈和他們的團(tuán)隊演示了干細(xì)胞可以感知自己在圓形集落中的位置的過程，因此，調(diào)整它們對生長因子分子的反應(yīng)就能幫助形成細(xì)胞離散區(qū)域。2017年，萊斯大學(xué)瓦姆弗萊士團(tuán)隊在《bioRxiv》網(wǎng)站預(yù)印本系統(tǒng)上發(fā)布的一篇報告展示了生長因子的動力學(xué)在胚胎發(fā)育中起著一定的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，一組特定的蛋白質(zhì)釋放出激增的信號，統(tǒng)稱為Nodal信號通路，這波信號像波浪一樣從集落圓周向內(nèi)擴(kuò)散，在其擴(kuò)散初期留下不同的細(xì)胞類型。

布里瓦盧團(tuán)隊研對這個系統(tǒng)的研究更加深入，他們在今年5月7日展示了用生長因子的組合來處理這些類型的集群就能誘導(dǎo)“組織者”細(xì)胞的形成，而“組織者”細(xì)胞，顧名思義，就是未來組織各類型細(xì)胞出現(xiàn)及發(fā)育的原始者。除人外的其他動物中，這些特殊的細(xì)胞能引導(dǎo)周圍的細(xì)胞形成一個有頭有尾的中軸。但是，由于14天法則的原因，科學(xué)家從未見過人類組織者細(xì)胞的的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。考慮到人類胚胎工作面臨的倫理限制和技術(shù)局限，布里瓦盧取而代之將假定的人類組織者細(xì)胞移植到發(fā)育中的雞胚上，然后觀察到被移植的細(xì)胞指導(dǎo)小雞細(xì)胞發(fā)展出第二個雞神經(jīng)系統(tǒng)。

胚胎的支持結(jié)構(gòu)

關(guān)于人類早期發(fā)展的主題，很多研究都集中在胚胎本身上，但很多其他的組織對胚胎的生存也有至關(guān)重要的影響，其中就包括羊膜囊和胎盤，羊膜囊是胚胎的住所，而胎盤則能為胚胎提供氧氣和營養(yǎng)。

為了更好地研究羊膜囊是如何發(fā)育的，研究人員用人類干細(xì)胞制造了一個模型。去年，發(fā)育生物學(xué)家黛博拉·古穆西奧（Deborah Gumucio）、密歇根大學(xué)生物工程師傅建平以及他們的同事發(fā)現(xiàn)當(dāng)在凝膠器皿上培養(yǎng)人類干細(xì)胞并用天然的支架分子包圍這些干細(xì)胞時，這些細(xì)胞就自我組織成一個類似于羊膜囊的東西。大約24小時后，類羊膜囊上就出現(xiàn)一個口，然后，細(xì)胞開始在一側(cè)變平，而另一側(cè)的細(xì)胞就開始拉長，而這正是原腸胚形成前的典型過程。

這個人造模型只復(fù)制了胚胎的核心和囊，沒有其他的支撐組織，而后者是胚胎存活生長的必要條件。盡管缺少支撐組織，研究人員仍能識別出一些可能幫助產(chǎn)生這種不對稱結(jié)構(gòu)的分子信號?！熬瓦@種人造模型試驗，就現(xiàn)在進(jìn)行的階段，我們?nèi)杂泻枚嘀匾畔⒂写l(fā)現(xiàn)，所以我們沒理由將其發(fā)育成更晚的胚胎，”古穆西奧說道?？茖W(xué)家將這種胚狀結(jié)構(gòu)培養(yǎng)物保持了5天，對應(yīng)到真實人類胚胎發(fā)育期大概是9到14天，雖然和真實胚胎有差異，但研究人員仍是依據(jù)14天法則，在對應(yīng)的第5天停止了培養(yǎng)。

澤尼卡·格茨團(tuán)隊正嘗試開發(fā)更完整的結(jié)構(gòu)。2017年，格茨團(tuán)將兩種類型的小鼠干細(xì)胞組合起來進(jìn)行培養(yǎng)：一種形成胚胎本身，一種有助于形成胎盤，后者稱為滋養(yǎng)層干細(xì)胞。研究人員將培養(yǎng)物嵌在三維支架上，這種合成結(jié)構(gòu)就像是胚胎著床后的環(huán)境?，F(xiàn)在，研究人員正致力于用人類干細(xì)胞創(chuàng)造出一種類似的胚狀結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家可以借此更好地了解胚胎組織和胚胎外組織的相互作用，比如說胚胎和胎盤。

隨著一些實驗室開發(fā)出這些越來越復(fù)雜的合成模型，即所謂的胚胎，倫理問題正在日益凸顯?！拔艺J(rèn)為這是一個灰色地帶，”位于緬因州巴爾港的杰克遜實驗室的干細(xì)胞生物學(xué)家馬丁·佩拉（Martin Pera）說道?！拔覀儜?yīng)該如何看待這些正在發(fā)育的結(jié)構(gòu)？”許多倫理學(xué)家和科學(xué)家都認(rèn)為，目前進(jìn)行的合成胚狀體比較簡單，因此不必一定遵守14法則。但是位于俄亥俄州克利夫蘭的凱斯西儲大學(xué)的生物倫理學(xué)家玄仁洙（Insoo Hyun）表示，“給胚狀體的特點(diǎn)下定義本身就是一項挑戰(zhàn)，比如說我們很難確定胚狀體發(fā)育到什么程度或是出現(xiàn)何種特點(diǎn)才算是更加接近真實的胚胎。很難把握這個度，現(xiàn)在培養(yǎng)的胚狀體可能已經(jīng)超越了14天法則，比如說，你把它移植到子宮，它就能發(fā)育成更復(fù)雜的形態(tài)?！?/p>

數(shù)據(jù)重整

研究人員在研究后期階段的解鎖細(xì)節(jié)方面也取得了一些進(jìn)展，組織染色和成像技術(shù)功不可沒。在2016年《科學(xué)》（Science）上發(fā)表的一篇報告中，阿姆斯特丹大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員將華盛頓卡內(nèi)基科學(xué)研究所保存的15000個組織切片進(jìn)行數(shù)字化。這些組織切片是19世紀(jì)80年代到20世紀(jì)前半期期間從流產(chǎn)、手術(shù)和尸體解剖中獲得的樣本。荷蘭的一項研究時間跨度超過了兩個月，研究人員用數(shù)字技術(shù)追蹤了單個切片上多達(dá)150個器官的輪廓，然后對截面進(jìn)行調(diào)整對齊重新構(gòu)建了原始胚胎的三維模型，這個三維模型可以當(dāng)做活性數(shù)據(jù)集。

在高分辨率下研究胚胎已經(jīng)有了一些發(fā)現(xiàn)，比如說，在胚胎學(xué)角度上看，腎臟的出現(xiàn)及發(fā)育要經(jīng)歷三個連續(xù)的階段，先后是前腎、中腎和后腎，以前科學(xué)界都認(rèn)為腎臟出現(xiàn)和發(fā)育的過程是從上往下發(fā)生的，后來有研究小組根據(jù)更新的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，因為腎臟的生長速度和椎骨生長速度并不一樣，所以腎臟的出現(xiàn)及發(fā)育的過程并不是單向的向下，而是上上下下的起伏式發(fā)育。

但是卡內(nèi)基研究院收集的切片有個主要局限，就是缺少分子標(biāo)記，這就使研究人員不容易區(qū)分出不同的細(xì)胞類型。為了克服這些問題，位于巴黎的法國國家健康與醫(yī)學(xué)研究所的阿蘭·切多爾（Alain Chédotal）在2017年發(fā)表了一份新的三維數(shù)據(jù)集。新的數(shù)據(jù)集包含36個胚胎和胎兒，這些胚胎和胎兒樣本處在6到14星期的發(fā)育階段。阿蘭和其團(tuán)隊對捐贈的樣本進(jìn)行組織清理處理，這樣就能使樣本更容易在顯微鏡下成像，然后又進(jìn)行著色以突出不同的細(xì)胞類型。

圖注：隨著神經(jīng)的發(fā)展，左右手也有著不同的分支模式。（圖/阿蘭·切多爾；摩根·貝勒）

根據(jù)新的三維圖像，研究人員能在高分辨率細(xì)節(jié)上觀察神經(jīng)、肌肉、肺和其他器官的發(fā)育過程?！熬图?xì)節(jié)而言，這是前所未有的成果，”位于華盛頓的霍華德大學(xué)醫(yī)學(xué)院魯伊·迪奧戈（Rui Diogo）說道。迪奧戈對數(shù)據(jù)集進(jìn)行了挖掘，了解到肢體肌肉的發(fā)展情況。

迪奧戈研究小組觀察到手部和足部的一些肌肉會在發(fā)育過程中出現(xiàn)消失或融合，這些研究結(jié)果尚未發(fā)表?！爱?dāng)我們還是胚胎時，我們的肌肉和成年后的肌肉很不一樣，”迪奧戈說道。此外，還有其他一些意想不到的發(fā)現(xiàn)，比如切多爾報告稱，盡管左右手神經(jīng)組織具有相似性，但在第7到11星期內(nèi)，每只手的細(xì)的分支模式會沿著不同的路徑進(jìn)行發(fā)散伸展。

法則的去留

隨著科學(xué)技術(shù)的改進(jìn)，研究人員希望對人類早期發(fā)展有更多更深的了解，他們還希望闡明導(dǎo)致妊娠丟失和出生缺陷的原因。

研究人員對胚胎早期發(fā)育的研究日益清晰，這也使倫理問題越發(fā)凸顯。也有一些人認(rèn)為，隨著澤尼卡-格茨和布里瓦盧的拓展型實驗的進(jìn)行，科學(xué)界和倫理學(xué)界應(yīng)該重新審視14天法則。今年5月，萊斯大學(xué)貝克研究所健康與生物科學(xué)中心舉行了一次會議，有30位美國科學(xué)家、倫理學(xué)家和其他專家參與了這次討論，布里瓦盧和約翰斯頓也參加了，他們討論了是否應(yīng)該打破14天法則，以及打破后應(yīng)該如何設(shè)置新的界限?！拔艺J(rèn)為最好還是遵守14天法則，如有特殊情況，可通過請愿書來破例，”與會的玄仁洙說道。

隨著研究結(jié)果的不斷積累，技術(shù)上的進(jìn)步激起了科學(xué)家的興趣，同時也加劇了他們的不安?！斑@是種驚奇而又敬畏的感覺，我們正在觸及人類早期的秘密，因此很多人在道德上與倫理上產(chǎn)生了疑慮，”約翰斯頓說道?！斑@些疑慮是很好的提醒，即我們在培養(yǎng)皿中研究的東西絕非幾個細(xì)胞那么簡單！”