新技术为人类发育研究带来突破性见解与伦理问题

 

 

惊奇和敬畏让我们无时不谨记这是人类最初的样子，让我们无刻不警醒这不仅仅是普通细胞。图片来源：Toby Leigh

 

在2013年紧张的两周里，英国剑桥大学发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz正在赶超一项世界纪录——她和同事尝试在实验室里进行有史以来时间最长的人体胚胎培养，试图摸索出这一小团细胞何以发育成一个复杂的多组织结构。之前的研究都在持续1周后中止了，但Zernicka-Goetz深知，1周后的人体发育还有很多值得深究之处。

 

研究人员最初使用的胚胎由那些不再需要接受体外受精的女性捐赠。研究团队将之前小鼠胚胎的培养方式稍加调整，先把细胞浸泡在特殊的培养基里，再放入培养箱中。由于胚胎样本必须处于严格受控的环境中，研究人员每天只能移动一到两次样本，在显微镜下跟踪它们的发育情况。

 

到了第六天、第七天、第八天，胚胎仍在顽强发育着。Zernicka-Goetz回忆道，“我们几乎都屏住了呼吸，一天比一天激动。”研究团队首次尝试就坚持了12天，并最终达到13天。她说：“一切都难以置信。我高兴坏了。”

 

与之前来自美国纽约的一支团队一样，Zernicka-Goetz团队的成果也是过去5年来推动早期人体发育研究为数不多的亮点之一。由于人体胚胎来源有限，研究人员对胚胎早期发育知之甚少。但目前，细胞培养方法不断改进，如今体外培养人体胚胎的时间已能延长至两周。科学家正使用CRISPR等基因编辑技术，构建人造“胚胎样”结构，用来研究促进形成胚胎以及胚胎支持组织的细胞信号和作用力。

 

这些技术有助于阐明胚胎早期发育的关键过程，如胚胎植入——极小的胚胎一旦植入子宫内膜，就难以对其进行直接研究。全新高分辨率数字图像让发育后几周里的肌肉和神经生长一目了然。这些发现能让研究人员更好地找到出生缺陷、发育障碍，甚至流产的原因。

 

新技术带来了新希望，但也把研究人员推入了未知的伦理境地。伦理学家和科学家在上世纪70年代末达成了“14天规则” ，要求人体胚胎研究必须在受精后的14天内结束——14天是神经系统逐步成形的第一天，也是胚胎分裂的最后一天。到目前为止，国际公认的14天规则一直是一个纯假设的限制。

 

纽约黑斯廷斯中心生物伦理学家Josephine Johnston表示，“并没有人违反这个规则，但如今，要突破这个限制从技术上说是可行的。”

 

 

动物界许多物种的早期发育过程都惊人的相似，只是一些基因或信号稍有不同。在哺乳动物中，科学家对小鼠发育的分子作用机制研究得最为透彻，通过让基因逐个失效来确定它们的功能。实验所需的小鼠数量一般很易获得，而且小鼠与人类的早期细胞类型和细胞成分较相似，小鼠胚胎因此成了人体胚胎发育研究的适当替代选择。不过，研究人员也开始怀疑这种相似性究竟能达到什么程度。

 

加拿大多伦多儿童医院发育生物学家Janet Rossant表示，“随着踏入人体早期发育研究的大门，人们越来越认识到小鼠胚胎和人体胚胎虽然相似，但并不一样。”

 

由于人体组织来源有限，科学家只能通过高效的基因编辑技术辅助探索胚胎的早期发育。又因为围绕胚胎遗传修饰的伦理争议不断，迄今为止，只有少部分研究团队获准开展这方面的研究。

 

英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所发育生物学家Kathy Niakan团队率先获得了监管当局的批准。2017年，Niakan团队报告了如何使用CRISPR-Cas9技术对一个同时在人体和小鼠胚胎干细胞中表达的基因进行编辑。敲除该基因后，人体胚胎会缺少一种名为OCT4的蛋白，导致胚胎无法发育成囊胚。相比之下，同样敲除该基因的小鼠胚胎却能发育成囊胚，之后逐渐萎缩。

 

这种差异呼应了一种越来越受到认同的观点——即使在发育早期，一些具体的遗传信息可能只对人类才有意义，如特定基因何时被激活等。

 

 

发育成囊胚后，小囊胚必须在子宫内膜着床才能继续存活。一旦埋入子宫内膜（约第七天时），科学家基本无法继续研究囊胚的发育。第一个挑战就是如何观察整个植入过程。从前，研究人员尚无可靠手段让胚胎发育时间超过1周。

 

如今，这个黑匣子终于被科学家打开。在2016年5月发表的两篇论文中，Zernicka-Goetz团队和纽约洛克菲勒大学的Ali Brivanlou团队首次报告了能让人体胚胎培养至12~13天的系统。

 

研究人员指出，只要以正确比例混合生长因子和营养物质，培养皿中的人体胚胎就能“植入”培养皿底部。尤其值得注意的是，胚胎植入后无需母体组织就能触发早期重组步骤。

 

这一胚胎培养着实打破了好几项纪录，超过之前动物实验和通过流产等渠道获得的人体组织样本的有限研究的预期。

 

在最新的实验中，胚胎在植入培养皿底部后，细胞外层开始分化成早期胎盘和其他类型的细胞，用于支持胚胎发育。细胞内部也发育出胚体和卵黄囊前体，这是向胚胎输送血液的早期结构。在快到14天时，两个团队都遵守14天规则，结束了实验。

 

当时，一些胚胎已经停止了发育。不过研究人员表示，随着技术的进展，这些培养系统将有助于揭示更多关于胚胎最初两周的细节。

 

许多关键事件都会在第三周的原肠胚形成阶段完成。从这时起，胚胎发育出体轴，其中一端会慢慢发育成头部。随后，细胞开始迁移分化，形成三胚层，三胚层最终形成身体全部的组织和器官。这一过程非常重要，也是伦理天数限制在14天的主要原因。

 

现在，一些研究人员开始寻找替代方法，通过人体干细胞技术打造合成胚胎样结构，就可以不受14天规则的限制。不过，这种胚胎缺少一些完全发育所必需的成分，植入后也无法发育成人类。

 

在2017年预印本服务器bioRxiv发布的一篇研究中，得州莱斯大学的研究团队证实，生长因子的动态起到了作用；研究人员发现特定蛋白组会使信号传导增强，并从外向内呈波浪式扩散，最终形成不同类型的细胞。

 

Brivanlou团队对这一体系做了更进一步的研究。今年5月，研究人员利用混合生长因子，诱导形成了“组织者”细胞。这些特殊细胞能在动物体内引导周围细胞形成从头到尾的体轴。不过，14天规则在一定程度上限制了科学家，使他们无法见证人体组织者细胞的活动。

 

面对人体胚胎研究伦理和技术的双重限制，Brivanlou只能把假定的人体组织者细胞群嫁接到发育中的鸡胚胎上，并观察嫁接的细胞群如何引导鸡细胞发育出第二套鸡神经系统。

 

 

研究人员在破解后期发育阶段方面也取得了不小的进展，而大部分进展得益于组织染色和成像技术的提高。

 

在2016年《科学》发表的一份报告中，荷兰阿姆斯特丹大学学术医学中心的研究人员将15000 个各类组织的切片进行了数字化处理。随着技术的不断改进，科学家希望可以更深入地理解人体发育，揭示出导致流产和出生缺陷的原因。

 

对胚胎早期发育的进一步关注也引发了更加激烈的伦理争论。Zernicka-Goetz和 Brivanlou的延时实验让重新权衡“14天规则”利弊的声音再次出现。

 

5月，莱斯大学贝克健康与生物科学研究所举办的一场会议邀请了30位美国科学家、伦理学家和其他领域专家，共同探讨是否应该以及如何调整14天规则。

 

有与会专家表示，14天规则应该保留，同时允许特殊情况下破例。

 

随着这方面的研究结果不断涌现，技术进步让科学家既欣喜又不安。Johnston认为两种情绪都值得重视。“惊奇和敬畏让我们无时不谨记这是人类最初的样子，让我们无刻不警醒这不仅仅是普通细胞。”她说。