实验室培育的人类胚胎下一步会怎样?

这是阿里·布里万卢实验室里一系列实验的第13天，他面临着一项痛苦的任务。他的发育生物学家团队已经解冻了几十个人类胚胎，将它们放入单独的培养皿中，观察它们在发育的最初阶段的生长——世界上只有少数研究人员见过这种情况。但他知道这一切必须结束。

这些胚胎很快就会违反14天规则，这是一项国际共识，即人类胚胎应该在受精后14天在实验室中培养和生长。第14天大概是原始条纹出现的时候，这一结构标志着胚胎建立身体轴的点，并开始区分头尾和左右。

“这是我一生中不得不做出的最艰难的决定之一，但现在是时候停止这个实验了，”布里万卢回忆起2015年在他位于纽约市洛克菲勒大学的实验室进行的研究时说。在第13天，研究小组将胚胎从培养皿底部剥出并冷冻，从而阻止了进一步的发育。“我们不知道在那之后会发生什么，”他说。

现在，Brivanlou和其他发育生物学家有机会找到答案。

今年5月，国际干细胞研究学会(ISSCR)发布了新的指导方针¹那放宽了14天的规定，带走坚硬的屏障。尽管世界上只有少数几个实验室已经完善了培养人类胚胎到第14天所需的技术，但科学正在迅速发展。放宽后的规定允许实验室小组在合法的国家向监管机构申请许可，在超过14天的时间内继续进行研究。这样的研究可以揭示胚胎正常植入子宫后，即受精后一周左右，在人类发育过程中发生了什么。然后，大约在第14天到22天之间，它会经历一个叫做胃泌的阶段，这时身体的主要模式出现了，为器官生成奠定了基础。

打开这些后期阶段的窗口将使科学家们更好地理解近三分之一的妊娠损失和许多先天出生缺陷被认为发生在发育的这些阶段。此外，这些阶段还提供了细胞如何分化为组织和器官的线索，这可能会促进再生医学的发展。

大多数研究人员预计，Brivanlou的团队和其他少数团队将立即突破在实验室长时间培育人类胚胎的技术界限。能做到这一点的少数集团面临着激烈的竞争。在其他地方，这样的研究必须修改法律才能继续进行(参见“解除限制”)。例如，昆明理工大学胚胎学家李天庆说，中国的一些研究人员正在讨论是否改变国家政策，目前的政策反映了14天的截止时间。

因此，研究人员并不期望14天后会有大量新的研究出现——他们也都不相信这样的实验是合理的。伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家内奥米·莫里斯说:“我对把人类胚胎作为一个独立的研究系统持谨慎态度。”

作为绕过这一界限的一种方法，研究人员在过去5年里开发了一系列人类胚胎模型，其中大多数是由干细胞混合物形成的。这些模型模拟了早期发育的多个但短暂的阶段，并且可以在不使用稀缺的、伦理上充满争议的人类胚胎的情况下进行在体外受精(IVF)治疗。到目前为止，14天规则并不适用于这些胚胎模型。但是，随着它们变得越来越复杂，有可能形成可识别的结构，甚至器官，它们进入了自己的伦理灰色地带。

科学家们表示，无论是使用模型还是实物，他们还有很多东西要学习。“胚胎是伟大的大师，”位于维也纳的奥地利科学院分子生物技术研究所的干细胞生物学家和胚胎学家Nicolas Rivron说。“它们是教会我们一切关于我们如何形成和我们如何失败的结构。”

把信封

14天规则首次提出是在1979年，当时体外受精技术出现，人类胚胎首次在体外存在——尽管当时它们能存活的最长时间是几天。到2006年，当ISSCR发布了第一套人类胚胎干细胞(ES细胞)指南时，14天规则在研究界得到了牢固的确立。

实验室培养的人类胚胎被干细胞体丢弃的限制

该指南已被世界各地的研究人员和资助方广泛采用。在包括德国和奥地利在内的几个国家，对人类胚胎进行任何研究都是非法的，而其他许多国家，如英国、中国、日本、澳大利亚和加拿大，都通过法律规定了14天的限制。在包括美国和以色列在内的少数几个地方，虽然有指导方针，但没有法律禁止或限制人类胚胎研究，尽管在美国联邦政府不能资助这种研究。

ISSCR指南的上一次更新是在2016年，就在两个研究小组发表突破之前。

2013年，英国剑桥大学Magdalena Zernicka-Goetz的实验室开始探索培养超过七天的人类胚胎。该小组想要了解在囊胚或“细胞球”阶段之后发生了什么。她的团队巧妙地处理了激素和生长因子的正确配方，2016年，她的团队成功了²和Brivanlou^3.报告说他们培育了人类胚胎直到第12-13天。

Zernicka-Goetz说:“我们正在进行的发现，比如人类未来的头放在哪里，是非常重要的。”Zernicka-Goetz现在在她的英国实验室和位于帕萨迪纳的加州理工学院的实验室之间工作。“我对发育的第二、第三和第四周很感兴趣，这是我们用超声波看不到的，但却开始了主要器官的祖细胞的发育。”

其中一个问题是胚胎在生长过程中基因是如何在细胞中表达的。在迄今为止最大规模的人类胚胎研究之一中，Zernicka-Goetz的团队分析了从胚胎正常植入子宫(第5天)到准备胃形成的第11天，在实验室中发育的16个胚胎中的4820个单细胞。单细胞RNA测序揭示了胚胎细胞从全能性向多能性(一种分化程度更高的状态)转变时，哪些基因关闭，哪些基因打开⁴．

虽然这些发育信号在老鼠身上已经被发现，但这项研究是首次揭示人类发育的分子。

在其他只能用人类胚胎进行培养的实验中，Brivanlou和Zernicka-Goetz和他们的团队跟踪了带有非整倍体细胞的人类胚胎的命运。这些细胞有异常数量的染色体，这种情况被认为是导致一半的早期妊娠失败的原因。

体外受精诊所通常只检测胚胎的几个细胞来分析其遗传健康状况。但实验表明，这可能是一种误导。Zernicka-Goetz的研究小组发现，被诊断为某些类型的非整倍体的胚胎在实验室中继续正常发育⁵．Brivanlou的研究小组分析了人类胚胎从第3天到第14天的基因表达，发现染色体数量异常的细胞被消灭了——可能是由于发育成支持组织或由于细胞死亡而被淘汰⁶．两项研究都表明，通常在体外受精胚胎上进行的非整倍性测试可能导致许多胚胎被错误地认为是“不健康的”。

Brivanlou说，研究人类胚胎对这些见解至关重要。他说:“我们只能从观察过程中了解到这一点。”他正在计划进行一些实验，其中一些可能会超过14天，试图找出含有非整倍体细胞的胚胎究竟是如何调整的。

超过两周

研究动物胚胎的研究人员已经将它们培养超过了发育的14天，这可能为人类胚胎培养的类似进展铺平道路。今年3月，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的雅各布·汉纳(Jacob Hanna)团队将小鼠胚胎在实验室的培养时间延长了一倍⁷从第5.5天到第11天(大致相当于人类的第13天到第30天)。尽管其他研究人员称这一过程过于挑剔，但胚胎很好地进入了器官发育的过程。

Brivanlou和Zernicka-Goetz都计划进一步推动人类胚胎培养的极限，将汉娜的团队在小鼠身上所做的事情用在人类身上。Brivanlou想要解开将干细胞变成第一批脑细胞的基因程序，同时也想要揭示四腔跳动心脏的分子指令。这两件事都发生在第14天之后，解开它们可能是理解神经发育障碍和常见的先天性心脏缺陷的关键。

Brivanlou和其他人说，在未来，研究人员将有技术能力在实验室中观察人类胚胎植入子宫组织。他的团队正在向他所在大学的监管委员会申请，将他们对人类胚胎的研究延长到第21天。在这额外的一周内，整个身体计划都确定了，包括将成为脊髓、大脑、骨骼、心脏、血液、肌肉和面部的结构。他说:“我不知道我们是否能让人类胚胎超过14天。”“但一旦我们到了那里，我们应该非常轻柔地行动。”

模型的胚胎

研究人员已经有了一些方法来观察哺乳动物的胃形成过程，不是通过使用真正的胚胎，而是通过用干细胞的3D混合物构建模型。

在过去的五年里，研究人员在实验室里制作了各种胚胎模型，可以用来观察第14天之后的发育阶段。在大多数情况下，这些胚胎模型不受14天规则或任何特别审查的约束。

2017年，密歇根大学安娜堡分校(University of Michigan In Ann Arbor)的生物医学工程师付建平(Jianping Fu)和他的团队简单地将ES细胞放入3D培养中，在那里它们自我组织形成羊膜囊，并出现原始条纹的第一个迹象，从而制作了第一个人类胚胎模型⁸．傅教授说，这一发现在该领域引起了极大的轰动。“这种可能性存在于人类胚胎干细胞中——这是惊人的。”

像傅这样的模型得到了广泛应用，现在可以模拟小鼠和人类胚胎植入的早期阶段⁸,原肠胚形成^9，10，以及大脑的雏形¹¹、脊髓¹²和心脏的发展。例如，傅和其他人已经创造了人类神经样体¹²傅教授说，这将有助于研究人员培养功能性神经元，有朝一日可以植入患者体内。这些细胞的混合物通常看起来和表现都像同一阶段的胚胎，但它们是否再现了正常发育的分子和细胞事件，这方面的知识仍然存在巨大的空白。

傅和其他人承认，随着人类胚胎模型形成更复杂的结构，并沿着发育时间表向前推进，他们提出了新的伦理问题。例如，他们的神经元可能开始放电或他们的心脏细胞跳动。或者他们可以获得发展的潜力，超越他们目前模仿的有限阶段。大多数模型缺乏形成一个完整胚胎所需的维持生命的完整组织，但在过去几年里，少数实验室已经构建了小鼠和人类囊胚阶段的模型，称为“囊胚”。这些含有支持组织的前体，理论上可以形成整个生物体^{13- - - - - -15}．

实验室培育的结构模仿了人类胚胎的早期阶段

ISSCR关注着这一领域，它的指导方针指出，包含这些辅助组织的模型必须受到特殊监督，并且必须在达到科学目标所需的最短时间内生长。弗朗西斯克里克研究所的干细胞生物学家、ISSCR指导委员会主席Robin Lovell - Badge说，随着它们的发展，这些模型将需要伦理上的重新考虑。“显然，这个领域必须受到关注。”

随着真实胚胎和模型胚胎的研究进展，科学家们渴望知道这两者到底有多相似。研究人员希望在真正的胚胎中将实验时间延长到14天以上，主要原因是要找出模型在分子细节上的差异，以及它们的细胞行为。“我们可以从一个模型中学到很多东西，”德国德累斯顿马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的发育生物学家Jesse Veenvliet说。“但重要的是要知道哪里出了问题。”

2020年，莫里斯和同事们对小鼠胚胎和小鼠胃样体进行了并排的基因表达比较，发现建立身体规划的信号定时波惊人地相似¹⁶．她说，这种精确的基准测试也应该用于人类类胃菌体，这需要培养人类胚胎到21天左右。Rivron设想了人类发展的每个阶段的分子图谱。

一旦完成了足够的基准测试，研究人员就可以减少使用人类胚胎的数量，只有在有充分理由时才会使用它们。

停止时钟

但是，研究人员究竟应该观察人类在培养皿中的发育过程多长时间呢?批评人士说，ISSCR在没有给研究人员一个新的停止点的情况下放松14天的规定是不负责任的——这给胚胎研究开了绿灯。

傅莹是ISSCR委员会的成员，该委员会用了18个月的时间，参加了100多次Zoom会议，制定了新的指南。他说:“科学进步如此之快，作为一个科学界很难再画一个停止标志。”相反，只要有适当的审查程序，指南就为进行研究敞开了大门。

Brivanlou同意这一决定。“凭我的良心，我知道把时间延长到14天有很大的好处，”他指着对异常染色体的研究说。“它可能真的会拯救下一代的生命。”他和洛弗尔-巴奇认为，不允许进行14天后的研究是不道德的，因为这可能揭示器官细胞类型是如何产生的，以及流产和出生缺陷是如何发生的。

对于哪些实验和模型应该被赋予与14天后胚胎研究同样的地位，也变得越来越模糊。ISSCR的指导方针对伦理进行了明确的划分，只将包含支持组织的模型——并且在理论上具有完全发育潜力的模型——与14天后的胚胎归为同一类。(该指导方针还禁止将人类研究胚胎、人兽嵌合胚胎或人类胚胎模型移植到动物或人的子宫中。)

一些研究人员对取消14天期限持保守态度。例如，莫里斯认为公众没有真正的机会来衡量14天后实验的后果。

生物伦理学家约瑟芬·约翰斯顿(Josephine Johnston)更进一步:“我认为放弃14天规则而不提出另一个规则是错误的。”纽约加里森黑斯廷斯中心(Hastings Center)的生物伦理学家约翰斯顿(Johnston)说，限制标志着科学界明白社会重视人类胚胎并尊重这一点。取消限制“有可能真正动摇公众的信任”。此外，她说，研究人员需要更好地解释，研究14天以上的胚胎“将如何真正帮助人类”。约翰斯顿说，他们还需要公开胚胎研究的细节。“很多研究感觉很遥远，但如果没有一些限制，那就太粗心了。”