今天，會成為人類認識自身發(fā)育的分水嶺。
由美國德克薩斯西南醫(yī)學(xué)中心的吳軍和Gary C. Hon領(lǐng)銜的研究團隊[1]，以及澳大利亞莫納什大學(xué)Jose M. Polo領(lǐng)銜的研究團隊[2]，背靠背在頂級期刊《自然》發(fā)表重要研究成果。
這兩個獨立團隊用兩種方法完成了同一件事情——在實驗室條件下構(gòu)建出完整的人類胚胎模型。
這是人類歷史上首次基于非生殖細胞在實驗室條件下構(gòu)建的完整人造人類胚胎模型。
人類胚胎模型的構(gòu)建對于科學(xué)家了解人類生命最早的幾天有重要意義，在未來或許能幫助改進輔助生殖技術(shù)，防止流產(chǎn)和出生缺陷。
▲ 人造胚胎模型（utsouthwestern.edu）
我們都知道，生命誕生在精卵結(jié)合之后，然而一個受精卵是如何發(fā)育成一個生命體的，尤其是胚胎發(fā)育的早期究竟發(fā)生了什么，目前科學(xué)家仍知之甚少。
這其中一個重要的原因是受實驗材料的限制。目前對早期胚胎的研究，可用的材料主要是捐贈的試管嬰兒胚胎，而這些胚胎非常少[3]，研究還要受到倫理道德和法律限制。
因此，利用體外培養(yǎng)的成體細胞來構(gòu)建哺乳動物的胚胎模型，成為一個吸引人的研究方向，尤其是在山中伸彌的誘導(dǎo)多能干細胞技術(shù)誕生之后。
▲ Jose M. Polo（中）團隊
要構(gòu)建完整的人類胚胎非常不易。
在哺乳動物中，受精卵在發(fā)育的最初幾天會經(jīng)歷一系列的細胞分裂，并形成一種稱為囊胚的結(jié)構(gòu)。囊胚期的胚胎包含一個稱為滋養(yǎng)層（Trophoblast， TE）的外細胞層，它圍繞著一個空腔，里面還有個內(nèi)細胞團（inner cell mass，ICM）[4]。
隨著囊胚的發(fā)育，ICM分化成兩個相鄰的細胞群--上胚層（epiblast）和下胚層（hypoblast）；在小鼠胚胎中，下胚層被稱為原始內(nèi)胚層[4]。
在隨后的發(fā)育中，上胚層會發(fā)育成各種組織，而下胚層（原始內(nèi)胚層）和滋養(yǎng)層細胞則發(fā)育成胎盤等胚胎外組織與母體連接，并為胚胎發(fā)育提供支持。
▲ 胚胎的組成
不難看出，胚胎的發(fā)育是被高度調(diào)控的，且有其自身時空節(jié)奏的，想在體外復(fù)制這一過程，難度可想而知。
一直以來，科學(xué)家都在嘗試使用人類干細胞構(gòu)建人類早期發(fā)育模型，但僅限于上胚層細胞[5-7]。也就是說之前的模型并不完整，它們雖然可以重現(xiàn)人類胚胎發(fā)育的某些階段，但它們?nèi)狈ψ甜B(yǎng)層和下胚層，不能讓科學(xué)家了解胚胎發(fā)育早期的全貌。
就在前兩年，科學(xué)家以小鼠干細胞為基礎(chǔ)，首次在培養(yǎng)皿里構(gòu)建了完整的胚胎模型[8-10]。
人類胚胎模型還沒有突破[11]。
▲ 吳軍（左）和Gary C. Hon
吳軍團隊和Jose M. Polo團隊都從兩個方面突破了技術(shù)難關(guān)：一個是使用的細胞系，另一個是優(yōu)化培養(yǎng)方案。
吳軍團隊采用的是來源于人類囊胚的人類胚胎干細胞；而Jose M. Polo團隊采用的是重編程的人類皮膚成纖維細胞（HDFs）?；诿麨锳ggrewell板的3D培養(yǎng)皿，以及他們獨特的培養(yǎng)基，兩個團隊都成功構(gòu)建了人類胚胎模型。
兩個研究團隊均發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)6-8天后，人囊胚出現(xiàn)，形成效率高達近20%。而且人類囊胚的大小和形狀與天然囊胚相似，細胞總數(shù)也相似。它們也含有一個空腔和一個類似ICM的細胞團。而且滋養(yǎng)層、上胚層和下胚層的空間組織結(jié)構(gòu)也與植入前人類胚胎一致。
▲ 吳軍團隊的人類囊胚
僅長得像還不行，人造囊胚與天然胚胎的分子特征是不是也相同呢？
為了搞清楚這個問題，研究人員分析了人造囊胚的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并將它們與人類胚胎的數(shù)據(jù)做了比較。結(jié)果顯示，至少在轉(zhuǎn)錄組上，人造囊胚與天然胚胎具有相似的分子特征。
研究人員甚至還在培養(yǎng)皿中給人造囊胚模擬了子宮的環(huán)境，觀察它們的發(fā)育狀況。研究結(jié)果表明，這些胚胎可以進一步發(fā)育，有些胚胎甚至出現(xiàn)了分化成胎盤細胞類型的跡象。
總的來說，以上兩個研究表明，上述兩個人造囊胚模型能夠用于研究早期胚胎的發(fā)育問題。不僅如此，很多遺傳病的研究，以及相關(guān)藥物的研究，也會因此而取得更大的進展。
▲ 吳軍團隊的人類囊胚生產(chǎn)過程及應(yīng)用場景
這兩篇研究成果發(fā)布之后，大眾最關(guān)心的問題是：這是不是意味著即將實現(xiàn)人造生命了。
對此科學(xué)界幾乎一致的認為，人造囊胚不是胚胎，它只是經(jīng)歷了胚胎發(fā)生早期階段的細胞集合而已；而且人造囊胚是不可能發(fā)育成胎兒的[12]。
雖然人造囊胚能很好的模擬人類胚胎的早期發(fā)育，而且也不能發(fā)育成胎兒，但是它的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，最嚴峻的一個就是倫理和監(jiān)管。
▲ Jose M. Polo團隊的人造囊胚
我們都知道，關(guān)于人類胚胎的研究，國際上有個公認的“14天規(guī)則”——體外培養(yǎng)期限自受精或核移植開始不得超過14天。那么由成體細胞轉(zhuǎn)化而來的人造囊胚究竟受不受這個規(guī)則的限制？
無論如何，只有解決了上述的倫理問題和監(jiān)管問題，人造胚囊技術(shù)才有可能大面積使用，并真正造福于人類。
參考文獻：
[1].https://www.nature.com/articles/s41586-021-03356-y
[2].https://www.nature.com/articles/s41586-021-03372-y
[3].https://lens.monash.edu/@medicine-health/2021/03/17/1382960/meet-the-iblastoid-a-game-changer-in-unlocking-the-molecular-mystery-of-early-human-life
[4].https://www.nature.com/articles/d41586-021-00581-3
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[11].Fu J, Warmflash A, Lutolf M P. Stem-cell-based embryo models for fundamental research and translation[J]. Nature Materials, 2020: 1-13.
[12].https://www.sciencemag.org/news/2021/03/researchers-re-create-key-human-embryo-stage-lab
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