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新里程碑！體外人工胚胎橫空出世，人類未來的繁衍方式將如何發(fā)展？
近日，人類胚胎的培育和發(fā)展再一次取得了突破性成果。面對近年來很多人關心的人造子宮、體外培育的前沿卻又充滿爭議性的話題，最新一項研究的結果給出了重要的參考方向。
6月15日，由4個研究團隊共同發(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，研究報告了使用各類人類干細胞，在實驗室中成功制造出14天大的與人類自然胚胎高度相似的人造胚胎。該研究報告所描述和研究的方向和成果，在體外成功復制和重現(xiàn)了人類胚胎發(fā)育過程中非常難以研究和復制的一個時期。
該研究團隊首先在小鼠實驗中嘗試和成功進行了體外人工小鼠胚胎的培養(yǎng)，其中小鼠胚胎的細胞來源就是幼稚態(tài)多能干細胞。
細胞多能性（pluripotency）指的是一個細胞生成所有成年后個體中各類組織細胞類型的能力，這是早期胚胎發(fā)育的一個階段性重要特征?？茖W界普遍認為細胞多能性至少存在2個完全不同的狀態(tài)：幼稚態(tài)（naive）和待激活態(tài)（primed）。在細胞的體外培養(yǎng)中，幼稚態(tài)和待激活態(tài)的多能干細胞（PSCs）都可以形成三個胚層。但區(qū)別是，只有幼稚態(tài)多能干細胞（na?ve PSCs）能有效地促進嵌合體動物（chimeric animals）的形成。鼠科動物胚胎干細胞（mESCs）幼稚態(tài)是更穩(wěn)定的狀態(tài)，在體外培養(yǎng)中相對可以較好的維持，但是人類多能干細胞（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)多能干細胞比待激活態(tài)多能干細胞更具優(yōu)勢，因此，控制和維持幼稚態(tài)人類多能干細胞一直是一個難題。
在小鼠中，干細胞衍生胚胎模型（SEM, Stem cell-derived Embryo Models) 衍生出包含關鍵胚胎和胚胎外隔室需要的最佳條件，包括高質量快速誘導原始內胚層 (PrE)，和幼稚多能干細胞 (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Gata4和Cdx2而實現(xiàn)的。尤其是Cdx2的成功表達，為胚胎合成提供了關鍵和獨特的平臺，使得小鼠干細胞在子宮外環(huán)境的自體組織能在原腸胚形成后，同時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)多能干細胞發(fā)展而來（naive PSC）。而更為重要的是，小鼠中的培養(yǎng)結果證明了，僅僅需要幼稚態(tài)多能干細胞，就可能足以在體外通過人工培育許多哺乳動物的胚胎 (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現(xiàn)，比如滋養(yǎng)層干細胞 (TSC, trophoblast stem cell) 或PRE/XEN系細胞（囊胚中的細胞系）。
圖1.：人類幼稚態(tài)PSC發(fā)展出體外的胚胎細胞譜系。來源：biorxiv.org
因此，在人類胚胎中，為達成從幼稚態(tài)多能干細胞發(fā)展的胚胎體外培養(yǎng)，該研究首先著手建立了一個類似的模型和體系，通過異位表達Gata4和Cdx2使得人類幼稚態(tài)PSC發(fā)展出體外的胚胎細胞譜系 (如圖1所示)。但同時要嚴格注意的是，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)過漫長而復雜的一些列基因誘導和胚胎細胞系形成，在8天的子宮外培養(yǎng)過程中，聚集體廣泛生長，胚胎已形成具有明顯組織隔室和內腔的3D球形結構（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。同時也可以在體外環(huán)境進行對母體無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)和細胞簇（如圖3所示），但這些結構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)育關鍵階段的補充工具。
圖3：SEM（干細胞衍生胚胎模型）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，并不能完全復制自然胚胎，因為它們缺少一些細胞譜系，其組織機構也還暫時沒有明確定義。有學者指出，真正胚胎的兩個重要特征仍然存在于精子和卵子的前身中，因而由多能干細胞發(fā)展來的人類胚胎仍遠遠不及自然胚胎，但它們將會是非常有意義和有用途的實驗系統(tǒng)。
該研究團隊的研究人員現(xiàn)在希望改進他們的研究程序，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，他們會在人造胚胎與14天大的天然人類胚胎結構和特征相似時，停止實驗的進程。盡管對人類體外受精胚胎進行更長時間的研究會帶來更多寶貴的信息和價值，但14天胚胎一直是人類體外受精胚胎研究中，公認的培育時間上限。
同時，這一領域的研究也帶來了很多令人擔憂的倫理問題。比如，在英國，對于14天以上的體外受精胚胎的研究是被法律禁止的，因而英國的輔助生殖行業(yè)也向來非常嚴格。因出于倫理道德的高度規(guī)范和管理，在歐洲很多國家，不孕不育者需要達到非常嚴格的條件才可以使用體外受精相關的醫(yī)療手段。
不過，從另一個角度來說，此次研究中使用的新模型并不是由人類胚胎細胞中獲取來的，雖然其結構和各項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胞。研究中使用的是多能干細胞來發(fā)展為人類早期胚胎，因此倫理相關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展為人類胚胎學和多個相關學科帶來了寶貴的參考信息和全新的潛在研究方法。而這樣一個全新的體外胚胎發(fā)展方式也許將同時掀起新的一波人類體外研究的倫理討論熱潮。
