當人體胚胎遭遇「14天規則」—新聞—科學網

2020-12-01 科學網
當人體胚胎遭遇「14天規則」
新技術為人類發育研究帶來突破性見解與倫理問題

 

驚奇和敬畏讓我們無時不謹記這是人類最初的樣子，讓我們無刻不警醒這不僅僅是普通細胞。圖片來源：Toby Leigh

在2013年緊張的兩周裡，英國劍橋大學發育生物學家Magdalena Zernicka-Goetz正在趕超一項世界紀錄——她和同事嘗試在實驗室裡進行有史以來時間最長的人體胚胎培養，試圖摸索出這一小團細胞何以發育成一個複雜的多組織結構。之前的研究都在持續1周後中止了，但Zernicka-Goetz深知，1周後的人體發育還有很多值得深究之處。

研究人員最初使用的胚胎由那些不再需要接受體外受精的女性捐贈。研究團隊將之前小鼠胚胎的培養方式稍加調整，先把細胞浸泡在特殊的培養基裡，再放入培養箱中。由於胚胎樣本必須處於嚴格受控的環境中，研究人員每天只能移動一到兩次樣本，在顯微鏡下跟蹤它們的發育情況。

到了第六天、第七天、第八天，胚胎仍在頑強發育著。Zernicka-Goetz回憶道，「我們幾乎都屏住了呼吸，一天比一天激動。」研究團隊首次嘗試就堅持了12天，並最終達到13天。她說：「一切都難以置信。我高興壞了。」

與之前來自美國紐約的一支團隊一樣，Zernicka-Goetz團隊的成果也是過去5年來推動早期人體發育研究為數不多的亮點之一。由於人體胚胎來源有限，研究人員對胚胎早期發育知之甚少。但目前，細胞培養方法不斷改進，如今體外培養人體胚胎的時間已能延長至兩周。科學家正使用CRISPR等基因編輯技術，構建人造「胚胎樣」結構，用來研究促進形成胚胎以及胚胎支持組織的細胞信號和作用力。

這些技術有助於闡明胚胎早期發育的關鍵過程，如胚胎植入——極小的胚胎一旦植入子宮內膜，就難以對其進行直接研究。全新高解析度數字圖像讓發育後幾周裡的肌肉和神經生長一目了然。這些發現能讓研究人員更好地找到出生缺陷、發育障礙，甚至流產的原因。

新技術帶來了新希望，但也把研究人員推入了未知的倫理境地。倫理學家和科學家在上世紀70年代末達成了「14天規則」 ，要求人體胚胎研究必須在受精後的14天內結束——14天是神經系統逐步成形的第一天，也是胚胎分裂的最後一天。到目前為止，國際公認的14天規則一直是一個純假設的限制。

紐約黑斯廷斯中心生物倫理學家Josephine Johnston表示，「並沒有人違反這個規則，但如今，要突破這個限制從技術上說是可行的。」

有所不同

動物界許多物種的早期發育過程都驚人的相似，只是一些基因或信號稍有不同。在哺乳動物中，科學家對小鼠發育的分子作用機制研究得最為透徹，通過讓基因逐個失效來確定它們的功能。實驗所需的小鼠數量一般很易獲得，而且小鼠與人類的早期細胞類型和細胞成分較相似，小鼠胚胎因此成了人體胚胎發育研究的適當替代選擇。不過，研究人員也開始懷疑這種相似性究竟能達到什麼程度。

加拿大多倫多兒童醫院發育生物學家Janet Rossant表示，「隨著踏入人體早期發育研究的大門，人們越來越認識到小鼠胚胎和人體胚胎雖然相似，但並不一樣。」

由於人體組織來源有限，科學家只能通過高效的基因編輯技術輔助探索胚胎的早期發育。又因為圍繞胚胎遺傳修飾的倫理爭議不斷，迄今為止，只有少部分研究團隊獲準開展這方面的研究。

英國倫敦弗朗西斯·克裡克研究所發育生物學家Kathy Niakan團隊率先獲得了監管當局的批准。2017年，Niakan團隊報告了如何使用CRISPR-Cas9技術對一個同時在人體和小鼠胚胎幹細胞中表達的基因進行編輯。敲除該基因後，人體胚胎會缺少一種名為OCT4的蛋白，導致胚胎無法發育成囊胚。相比之下，同樣敲除該基因的小鼠胚胎卻能發育成囊胚，之後逐漸萎縮。

這種差異呼應了一種越來越受到認同的觀點——即使在發育早期，一些具體的遺傳信息可能只對人類才有意義，如特定基因何時被激活等。

找到「新家」

發育成囊胚後，小囊胚必須在子宮內膜著床才能繼續存活。一旦埋入子宮內膜（約第七天時），科學家基本無法繼續研究囊胚的發育。第一個挑戰就是如何觀察整個植入過程。從前，研究人員尚無可靠手段讓胚胎發育時間超過1周。

如今，這個黑匣子終於被科學家打開。在2016年5月發表的兩篇論文中，Zernicka-Goetz團隊和紐約洛克菲勒大學的Ali Brivanlou團隊首次報告了能讓人體胚胎培養至12~13天的系統。

研究人員指出，只要以正確比例混合生長因子和營養物質，培養皿中的人體胚胎就能「植入」培養皿底部。尤其值得注意的是，胚胎植入後無需母體組織就能觸發早期重組步驟。

這一胚胎培養著實打破了好幾項紀錄，超過之前動物實驗和通過流產等渠道獲得的人體組織樣本的有限研究的預期。

在最新的實驗中，胚胎在植入培養皿底部後，細胞外層開始分化成早期胎盤和其他類型的細胞，用於支持胚胎發育。細胞內部也發育出胚體和卵黃囊前體，這是向胚胎輸送血液的早期結構。在快到14天時，兩個團隊都遵守14天規則，結束了實驗。

當時，一些胚胎已經停止了發育。不過研究人員表示，隨著技術的進展，這些培養系統將有助於揭示更多關於胚胎最初兩周的細節。

許多關鍵事件都會在第三周的原腸胚形成階段完成。從這時起，胚胎發育出體軸，其中一端會慢慢發育成頭部。隨後，細胞開始遷移分化，形成三胚層，三胚層最終形成身體全部的組織和器官。這一過程非常重要，也是倫理天數限制在14天的主要原因。

現在，一些研究人員開始尋找替代方法，通過人體幹細胞技術打造合成胚胎樣結構，就可以不受14天規則的限制。不過，這種胚胎缺少一些完全發育所必需的成分，植入後也無法發育成人類。

在2017年預印本伺服器bioRxiv發布的一篇研究中，得州萊斯大學的研究團隊證實，生長因子的動態起到了作用；研究人員發現特定蛋白組會使信號傳導增強，並從外向內呈波浪式擴散，最終形成不同類型的細胞。

Brivanlou團隊對這一體系做了更進一步的研究。今年5月，研究人員利用混合生長因子，誘導形成了「組織者」細胞。這些特殊細胞能在動物體內引導周圍細胞形成從頭到尾的體軸。不過，14天規則在一定程度上限制了科學家，使他們無法見證人體組織者細胞的活動。

面對人體胚胎研究倫理和技術的雙重限制，Brivanlou只能把假定的人體組織者細胞群嫁接到發育中的雞胚胎上，並觀察嫁接的細胞群如何引導雞細胞發育出第二套雞神經系統。

不斷發展

研究人員在破解後期發育階段方面也取得了不小的進展，而大部分進展得益於組織染色和成像技術的提高。

在2016年《科學》發表的一份報告中，荷蘭阿姆斯特丹大學學術醫學中心的研究人員將15000 個各類組織的切片進行了數位化處理。隨著技術的不斷改進，科學家希望可以更深入地理解人體發育，揭示出導致流產和出生缺陷的原因。

對胚胎早期發育的進一步關注也引發了更加激烈的倫理爭論。Zernicka-Goetz和 Brivanlou的延時實驗讓重新權衡「14天規則」利弊的聲音再次出現。

5月，萊斯大學貝克健康與生物科學研究所舉辦的一場會議邀請了30位美國科學家、倫理學家和其他領域專家，共同探討是否應該以及如何調整14天規則。

有與會專家表示，14天規則應該保留，同時允許特殊情況下破例。

隨著這方面的研究結果不斷湧現，技術進步讓科學家既欣喜又不安。Johnston認為兩種情緒都值得重視。「驚奇和敬畏讓我們無時不謹記這是人類最初的樣子，讓我們無刻不警醒這不僅僅是普通細胞。」她說。（魯亦編譯）

《中國科學報》 (2018-08-28 第3版 國際)

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