研究者們現已獲準在實驗室中進行14天以上的人類胚胎培養。這將有助於他們取得一些科學突破。
Ali
Brivanlou的實驗室中所開展的一係列實驗已進行至第13天，而此時他卻麵臨著一項痛苦的抉擇。他領導的發育生物學家團隊解凍了數十個人類胚胎，並將它們放入單獨的培養皿中，以觀察胚胎發育最早期的生長過程——全世界也僅有少數研究者曾對此進行過觀察。但他清楚，實驗是時候結束了。
在體外培養了12天的人類胚胎，圖中可見將形成胚胎的細胞（品紅色部分）。來源：Antonia Weberling, Bailey
Weatherbee, Carlos Gantner and Magdalena Zernicka-Goetz
如果讓這些胚胎繼續生長的話，他們就將違反一項名為“14天準則”的國際共識，即研究者在體外培養人類胚胎的時間不得超過14天（自受精之日起計算）。第14天大致是原條（primitive
streak）出現的時間，原條的出現標誌著胚胎體軸（body axe）的建立，自此逐漸能區分出胚胎的頭尾以及左右。
當Brivanlou回想起2015年在洛克菲勒大學的實驗室中開展的研究時，他表示：“這是我一生中所做出的最艱難的決定之一，但是時候結束這項實驗了。”在試驗的第13天，研究小組將胚胎從培養皿底部剝離並將其冷凍，從而阻止胚胎的進一步發育。“我們無從得知這一刻之後會發生什麽。”他說。
而現在，Brivanlou和其他發育生物學家終於有機會一探究竟。
2021年5月，國際幹細胞研究學會（ISSCR）發布了新版指南[1]，對“14天準則”進行了放寬，從而掃清了上述障礙。盡管全世界僅有少數幾所實驗室具備將人類胚胎培養至第14天所需的完備技術，但如今科技發展日新月異。放寬後的規則允許研究團隊在所在國法律許可的前提下，向監管機構申請對14天後的胚胎繼續進行研究。
自然情況下，受精後約一周胚胎開始著床。14天後的胚胎研究，可揭示胚胎著床後的發育特征。大約在受精後第14天到第22天之間，胚胎會經曆原腸胚形成（gastrulation）的階段，此時軀體的主要特征開始顯現，並為之後的器官形成奠定基礎。
若能對14天之後的胚胎發育階段進行觀察，科學家們就能更深入地理解流產和先天性缺陷的成因
——據信，約1/3的流產以及許多先天性缺陷就發生在這一時期。此外，針對這些發育階段的研究，或能揭示細胞分化為組織和器官的機製，從而促進再生醫學的發展。
多數研究者期待，Brivanlou團隊以及少數其他幾個團隊會立即投入到相關的工作中，拓展人類胚胎體外長期培養的技術邊界。有能力完成此類工作的少數幾個研究團隊正處在激烈競爭之中。而在其他地方，首先需要修改有關法律以推進此類研究（見“解除限製”一圖）。例如，中國的一些研究人員正在討論本國目前奉行的“14天截點”政策是否應該修改，昆明理工大學的胚胎學家李天晴說。
因此，研究人員預計目前暫時不會湧現大量的“14天後胚胎”研究，而且他們對這類實驗的正當性意見不一。“我對於將人類胚胎本身用作研究體係持謹慎態度。”英國弗朗西斯·克裏克研究所的發育生物學家Naomi
Moris說道。
為了避開限製，研究人員在過去五年中開發了一係列人類胚胎模型，其中大部分模型是由幹細胞混合製成。這些模型可以模擬早期胚胎發育過程中的多個短期階段，而且避免了使用接受體外受精（IVF）治療的人所捐贈的那些既稀缺、又頗具倫理爭議的人類胚胎。目前為止，“14天準則”尚不適用於這些胚胎模型。但是隨著這些模型變得愈發複雜，有可能形成可分辨的組織結構、甚至器官，它們也會進入自己的道德“灰色地帶”。
無論使用的是人類胚胎模型還是真正的胚胎，科學家們認為其中都有很多東西需要學習。“胚胎是卓越的大師。” Nicolas
Rivron說，他是奧地利科學院分子生物技術科學研究所的幹細胞生物學家和胚胎學家。“胚胎能全方位揭示人類生長發育以及衰退的機製。”
拓寬限製
“14天準則”最早於1979年提出，彼時IVF技術的出現使得人類胚胎第一次能在體外存活——盡管當時它們在體外隻能存活數日之久。2006年，ISSCR發布了首部人類胚胎幹細胞（ES細胞）指南，“14天準則”自那時起便在學術界確立起了牢固地位。
目前，該指南已被世界各地的研究人員和研究資助者廣泛采用。在德國和奧地利等國，對人類胚胎進行任何研究都是非法的。其他許多國家，如英國、中國、日本、澳大利亞和加拿大則將“14天準則”寫入法律。而在美國和以色列等少數國家，僅有相關的指導意見，而無法律明令禁止或限製人類胚胎研究，隻不過這些研究在美國不能得到聯邦政府的資助。
前一版的ISSCR指南發布於2016年，正好在兩個研究團隊發表突破性研究成果之前。
自2013年起，英國劍橋大學的Magdalena
Zernicka-Goetz實驗室開始嚐試對人類胚胎進行7天以上的體外培養。他們想了解人類胚胎在囊胚即“細胞球”期之後會發生什麽。該研究團隊對激素和生長因子配方進行了改良。至2016年，該研究團隊[2]以及Brivanlou團隊[3]均報道稱，他們已經在體外將人類胚胎培養至第12–13天。
“我們正在開展的研究，例如人類胚胎會從哪個部位長出頭部，具有非常重要的意義。”Zernicka-Goetz說。她目前在她英國的實驗室以及加州理工學院的實驗室之間來回奔波。“我對第二、第三和第四周的人類胚胎發育過程很感興趣，這些階段的胚胎雖然無法用超聲進行觀察，但主要器官的祖細胞會在這些階段開始發育。”
其中一個科學問題是，胚胎生長過程中細胞內的基因是如何表達的。作為迄今為止規模最大的人類胚胎研究之一，Zernicka-Goetz研究小組從體外培養的16個胚胎中分離出了4820個單細胞，並對其進行分析。這些胚胎處於著床期（第5天）到準備形成原腸胚（第11天）之間的階段。單細胞RNA測序揭示了在胚胎細胞從全能性（totipotency，即仍具有分化為體內各種細胞的潛能）向多能性（pluripotency，一種更加分化的狀態）轉變的過程中，哪些基因會關閉，又有哪些會開啟[4]。
雖然小鼠胚胎發育中的這些發育信號已經揭曉，但這是首批揭示參與人類胚胎發育分子的研究之一。
一個在體外培養的受精後第10天的人類胚胎，圖中可見將發育為胎兒的細胞（紫色部分）。來源：Zernicka-Goetz
Laboratory, Cambridge University/Science Photo Library
在其他一些必須依賴人類胚胎的實驗中，Brivanlou團隊和Zernicka-Goetz團隊追蹤了那些攜帶有非整倍體細胞（aneuploid
cell）的人類胚胎的命運。非整倍體細胞有染色體數量異常，而這種異常被認為造成了多達半數的早期流產。
IVF診療機構在分析胚胎的遺傳健康狀況時，通常僅檢測少量胚胎細胞。但多項實驗結果表明，這樣的分析結果可能具有誤導性。Zernicka-Goetz研究小組發現，被診斷有某些類型的非整倍性的胚胎在體外培養中仍能正常發育[5]。Brivanlou小組分析了人類胚胎從第3天到第14天的基因表達，他們發現那些染色體數量異常的細胞會被清除——這些異常細胞或是發育為支持性組織，或是凋亡後被清除[6]。這兩項研究都表明，IVF胚胎上常用的非整倍體檢測，可能將許多胚胎被誤診為“不健康”。
這些發現要歸功於人類胚胎，Brivanlou說道。“如果不能直接觀察人類胚胎的發育，我們便無法取得這些認識。”他說。目前Brivanlou正在規劃試驗（其中一些實驗可能要持續到第14天之後），以探索攜帶非整倍體細胞的胚胎的自我調節機製。
超越兩周限製
動物胚胎研究領域的研究人員已經將動物胚胎的體外培養時限不斷外推，已經超過了相當於人類胚胎發育第14天，這可能會為後續人類胚胎的體外培養的進步奠定基礎。2021年3月，以色列魏茨曼科學研究所的Jacob
Hanna研究小組將小鼠胚胎的體外培養時長從第5.5天延長至第11天（大致相當於人類胚胎的第13天到第30天）[7]。盡管其他研究人員認為該實驗過程太過繁瑣，但Hanna仍取得了理想的結果——這些小鼠胚胎順利生長至器官發育的階段。
Brivanlou和Zernicka-Goetz都計劃進一步擴展人類胚胎體外培養的時限，在人類胚胎中實現Hanna團隊在小鼠胚胎中所做的工作。Brivanlou想要解碼將幹細胞轉變為首批腦細胞的遺傳程序，他還希望能揭示調控四腔心髒形成的分子指令。這兩個生理事件都發生在第14天之後，而揭開它們背後的機製則是理解神經發育障礙和常見先天性心髒缺陷的關鍵。
包括Brivanlou在內的多位學者認為，未來研究人員能在技術層麵上實現將人類胚胎植入體外子宮。他的研究團隊正在向所在大學的監管委員會提出申請，將他們的人類胚胎研究延長至受精後第21天。在第3周，全身的發育雛形就已建立，包括那些將發育為脊髓、腦、骨骼、心髒、血液、肌肉和麵部的結構。“我不清楚我們能否將人類胚胎的體外培養時限延伸至第14天之後，”他說，“不過一旦可以這麽做了，之後我們就應謹慎行事。”（歡迎閱讀《自然》舊文：當人體胚胎在實驗室中有望活過第14天）
建立胚胎模型
研究人員已經有辦法來觀察哺乳動物原腸胚的形成過程，他們不用真正的胚胎，而是用一些由三維混合幹細胞所構建的胚胎模型。
在過去的五年裏，研究人員在實驗室中製作了多種胚胎模型，能一窺胚胎發育第14天之後的階段。大多數情況下，這些胚胎模型不受“14天準則”或任何特殊審查的約束。
這些模擬囊胚階段的胚胎細胞，是由皮膚細胞重新編程而來。來源：Monash University
2017年，密歇根大學安娜堡分校的生物醫學工程師傅建平及其團隊構建了第一個人類胚胎模型。他們僅將胚胎幹細胞進行三維培養，這些細胞便能自組織形成羊膜囊（amniotic
sac）及原條的早期特征[8]。傅建平稱，這一發現在領域內引起了轟動。“人類胚胎幹細胞竟然有這般潛力，真是太棒了。”
類似傅建平團隊的其他體外胚胎模型隨之湧現，並能模擬小鼠和人類胚胎發育部分最早期階段——包括胚胎著床[8]、原腸胚形成[9,10]，以及腦[11]、脊髓[12]和心髒等器官的初始發育階段。例如，傅建平等人構建了一種名為“類神經胚”（neuruloid）的模型[12]，該模型可模擬人類脊髓和腦的前體細胞的形成過程。而且傅建平認為，該模型將幫助研究人員培養可植入患者體內的功能性神經元。由細胞混合製成的胚胎模型在外觀和生物行為上往往與相同階段的胚胎十分相似，但它們是否複現了正常胚胎發育過程中的分子和細胞活動——這仍是研究的空白領域。
傅建平等人坦言，隨著人類胚胎模型進一步發育並形成更複雜的結構，新的倫理問題將會出現。
例如，這些模型中的神經元可能會開始放電，心髒細胞可能會開始跳動。此外，這些模型可能會擁有進一步發育、超出當前實驗模擬階段的能力。雖然大多數胚胎模型缺乏形成完整胚胎所需的全部生命支持性組織。但在過去的幾年裏，已有少數實驗室構建出了小鼠和人類的囊胚階段胚胎模型，即所謂的“類囊胚”（blastoid）。這些模型含有可發育出上述支持性組織的前體細胞，理論上能形成完整的生命體[13–15]。
ISSCR已注意到這一領域，並在其指南中指出：包含這些支持性組織的胚胎模型必須受到特別監管，而且在達成研究目標的前提下，應盡可能地縮短其生長時間。隨著這些模型的發展，則需重新考慮與之相關的倫理問題，ISSCR指導委員會主席、弗朗西斯·克裏克研究所的幹細胞生物學家Robin
Lovell-Badge說。“這一領域顯然必須密切注意。”
隨著真實胚胎和胚胎模型研究的不斷推進，科學家們迫切地想知道這兩者之間究竟有幾分相似。探尋胚胎模型與真實胚胎之間的分子機製以及細胞行為上的差異，是研究人員希望將真實胚胎的體外培養時間延長至14天以上的主要原因。“我們可以從胚胎模型中獲得許多認識，”德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所的發育生物學家Jesse
Veenvliet說道，“但重要的是要知道它哪裏會出問題。”
2020年，Moris與其同事對小鼠胚胎和小鼠“類原腸胚”（gastruloid）進行了基因表達層麵的平行對比，她們發現兩者調控機體發育的信號激活時間點極為相似[16]。她認為，同樣應該對人類的“類原腸胚”進行這種精確的基準化分析（benchmarking），而這就需要將人類胚胎培養至第21天左右。Rivron則構想了人類胚胎發育各階段的分子圖譜。
足量的基準化分析工作一旦完成，研究人員就可以在後續研究中減少真實人類胚胎的用量，並且僅在具備充分正當理由時才使用。
停在何處
但是應該將人類胚胎的體外培養時間放寬至多久呢？有人批評ISSCR不負責任，因為他們放寬了“14天準則”，卻沒有設定一個新的截止點——這似乎在為人類胚胎研究開綠燈。
ISSCR委員會的新版指南的製定曆時18個月，並在此期間辦了一百多次線上會議，傅建平參與了這一過程。“科學發展日新月異，作為科學家群體，我們很難再畫下一個休止符。”他說。反之，研究指南允許這些研究在經過適當的審查之後得以進行。
Brivanlou也支持這一決定。“憑良心說，我清楚打破‘14天準則’能帶來巨大好處。”他說，意指圍繞異常染色體所開展的工作。“它或許能在下一代人中挽救不少生命。”他和Lovell-Badge認為，禁止受精14天後的胚胎研究是不道德的，因為這些研究可以揭示各器官的細胞是如何演化出來的，也可以闡明流產和先天缺陷的發生機製。
哪些實驗和模型應被視作與受精14天後的胚胎研究具有相同地位，這一界限也愈發模糊。ISSCR指南進行了明確的倫理學劃分，隻將包含支持性組織的模型（理論上有可能得以完全發育的模型）與受精14天後的胚胎劃為同類（該指南還禁止將實驗研究中的人類胚胎、“人類－動物”嵌合胚胎或人類胚胎模型移植到動物或人類子宮中）。
一些研究人員對取消“14天準則”持保留意見。例如，Moris就認為公眾尚無法估量受精14天後的胚胎實驗的後果。
而黑斯廷斯中心的生物倫理學家Josephine
Johnston則想得更遠：“我認為放棄‘14天準則’卻不提出另一條規則，這樣的做法是錯誤的。”Johnston認為，限製性規則可以向外界傳遞出信號——即科學界理解社會大眾對於人類胚胎的珍視，並對這份情感表示尊重。而取消限製性規則“有可能真正動搖公眾的信任”。此外，她認為研究人員需要更清楚地解釋，受精後14天的胚胎研究“究竟能如何造福人類”。研究人員還需要預先闡明胚胎研究的細節，Johnston說。“雖然此類研究大多還感覺十分遙遠，但若不加以限製未免過於大意。”
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原文以What’s next for lab-grown human
embryos?為標題發表在2021年8月31日《自然》的新聞特寫版塊上
nature
doi: 10.1038/d41586-021-02343-7
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