揭开胚胎早期发育“黑箱”还有多远?

揭开胚胎早期发育“黑箱”还有多远?

凌梓郡
凌梓郡
4.5

预告:为何鸭邀请到文中提及的吴军教授做客北小河FM,录制了一期“人造器官”的播客,节目将于近期放出,欢迎收听。

有时,科学家不得不按捺住好奇心。

当人类早期胚胎首次在体外被培养到第13天时,实验终止了。这项成果在2016年发表出来。论文的通讯作者、洛克菲勒大学的胚胎学家布文卢(Brivanlou)表示,这是他“职业生涯中做过的最艰难的决定”。

在体外培育人类胚胎,几乎是了解人类早期发育的唯一方式。但是依国际伦理规定:人类胚胎体外培育不能超过14天。布文卢的这项成果是科学家第一次逼近这一时限。

科学家能获得的人类胚胎本来就极其有限——只有靠做辅助生育的人捐献出多余胚胎;再加上14天的体外培养限制。这使得人类早期发育历程是完全的黑盒子。

用人造的胚胎,在体外模拟发育过程来进行研究是不是可以?科学家正在这么努力。

3月17日,两篇研究同时登上《自然》封面,两个研究组用两种不同的方式,培育出了完整的人类“囊胚”模型。囊胚是胚胎的早期阶段。受精4到5天后,胚胎会发育到大约500个细胞,形成一个充满液体的中空圆球。

同期刊登的评论文章将其称为“第一个完整的人类胚胎模型”。

模拟早期胚胎发育

在培育人类胚胎模型之前,科学家们尝试过培育哺乳动物的胚胎。

直到2018年,第一个真正意义上的小鼠“囊胚”模型才被培育出来。它被命名为blastoid,是对blastocyst(囊胚)一词的模拟。

囊胚结构 图片:维基百科
囊胚结构 图片:维基百科

培育出blastoid的科学家尼古拉斯·瑞夫隆(Nicolas Rivron)曾表示,“我们花了两年时间才使评价者相信囊胚系统正在模拟囊胚发育的相关方面。”

囊胚在未来不仅仅发育出胎儿本身,还有对胎儿的支持系统。支持系统主要是两部分:胎盘,以及对血液供应至关重要的卵黄囊。

显微镜下,囊胚本身是一簇球形的细胞群。球壁是一层滋养外胚层细胞,它未来会发育成胎盘。

滋养外胚层细胞中间是充满液体的空腔,其中悬浮着另外一团细胞,叫做内细胞群。这一团细胞再发育成两类不同的细胞:上胚层和下胚层。

与子宫壁连接之后,上胚层发育成胎儿本身,下胚层发育成卵黄囊。

人造的胚胎模型是否真正模拟了囊胚,关键看是否出现了三种不同的细胞,并且形成了中空的球形。

两种不同方法

这次,两个研究组用不同的方式模拟出囊胚结构。培育的起点材料就不同,一个用胚胎干细胞,一个用成熟的体细胞。

德克萨斯大学西南医学中心的吴军研究团队以一种胚胎干细胞作为原材料。它是一种多能干细胞,除了可以自我复制,还可以发育出不同的细胞类型。

吴军团队将这种胚胎干细胞放在培养皿中,先后用两种不同的培育方式诱导其发育。在不同信号通路的组合作用下,单种干细胞分化成三种不同细胞,并且自我组装成带有空腔的球形结构。

他们发现,用20到30个细胞,最容易培育出囊胚结构。

显微镜下的囊胚样结构 来源:吴军组论文
显微镜下的囊胚样结构 来源:吴军组论文

“囊胚腔的形成和维持对于囊胚的正常结构至关重要。”论文中写道。其中,最重要的是滋养外胚层细胞成熟度,“成熟的滋养层细胞会形成致密的细胞连接,并通过离子泵形成渗透压,最终形成空腔结构。”吴军解释。

细胞们会自动结成中空的球状,这让另外一个研究组的科学家惊异。

“完全令人惊讶,当你把它们放在一起时,它们会自我组织。它们似乎在以某种我们需要调查的方式交谈。” 蒙纳士大学的约瑟•保罗(Jose Polo)表示。

保罗研究组在重新编程人类体细胞的过程中,意外发现细胞有潜力呈现三类特征。这三类特征正好对应组成囊胚的三种细胞类型。于是,研究者有意地诱导它们发育,并将这三种细胞一起转移至特殊培养皿中。6天之后,一部分细胞就形成了类似囊胚的球状结构。

这个研究结果多少有些意外,他们本来只打算将人类体细胞重新编辑,以获得滋养外胚层干细胞。

值得一提的是,这种体细胞重新编程技术的两位发明者,曾获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。

干细胞能够分化、发育为体细胞,人们一度以为这个过程不可逆转。现在,科学家掌握了使其逆转的技术,能诱导已经成熟的体细胞变为原始的干细胞。

从两种囊胚样结构的形成过程来看,吴军研究组实现的过程更接近人类囊胚的发育过程:由一种干细胞逐渐发育分化成囊胚。保罗组则是在重编程过程中,将已经分别具备这三种分化的细胞放在一起继续培育。

两个研究组都强调,目前培育出的囊胚模型不是真正的胚胎。因为这些囊胚模型不是从受精卵发育而来。尽管在结构上,三类细胞的特征都与人类囊胚类似;甚至在接下来的培育中,这些囊胚样结构能够模拟体外着床过程。

重新讨论“14天”限制

这些人工囊胚在多大程度上模拟了人类真实囊胚的发育过程?这还需要进一步研究。吴军研究组培育出囊胚的效率大约在15%,保罗研究组的最高效率也不超过18%。

不过这已经是目前获得的最接近人类囊胚的模拟结构了。如果未来培育技术获得优化,它们将更接近人类胚胎。通过对它们的研究,有可能揭示囊胚发育过程中的更详细信息,也能够探测早期的发育缺陷和流产机制。当医生能仔细筛选更健康的囊胚植入体内时,人工受孕的成功率就会提升。

“目前对人类早期胚胎发育的了解极为有限,因此任何新的发现都可能会成为学界的关注点。”吴军介绍。

人体中,大约第5.5到7.5天的胚胎被称为囊胚,大约第14天,经过一个叫做“原线“(Primitive streak)的质变点,就进入下一个阶段。出现原线意味着胚胎有潜力分化出各个类型的细胞,也就是有潜力长成胎儿。

而此次模拟出的囊胚,培育时间都在10天左右。人们无法得知,这些囊胚是否有潜力发展到下一阶段。即使有潜力,也需要面对“14天限制”的伦理探讨。

正因为培育的囊胚样结构并非真的胚胎,能够减轻伦理上的担忧。可悖论是,如果科学家要证实培育出的囊胚能够模拟人类胚胎,必须要获取下一阶段——原肠胚时期的人类胚胎数据做对比。这依旧要突破14天限制来培育人类胚胎,才能获得对比数据。

已有科学家在做类似呼吁。在《自然》杂志发表这两项突破的前夕,《科学》杂志上发表了一篇有关于探讨胚胎伦理的文章《超越“原线”的人类胚胎研究》,副标题是“是时候重新探讨’14天限制’”。文章希望在一些必要研究情况下,适当放宽14天的期限,这是未来科学研究的必需之路。

而模拟人类胚胎依旧是一个非常新的研究领域,如果要真正揭开胚胎发育的“黑箱”,除了科学上不断的突破,也会伴随与之对应的伦理讨论。

欢迎关注微信公众号“为何鸭”(duck_why),凡事多问一个why。

# 胚胎
# 早期发育
为何鸭