当人体胚胎遭遇“14天规则”

惊讶和敬畏总是提醒我们，这是人类最初的样子。让我们时刻保持警惕，这不仅仅是普通细胞。照片来源:托比·利

在2013年紧张的两个星期里，英国剑桥大学的发育生物学家玛格达莱娜·泽尼克-戈茨(Magdalena Zernicka-Goetz)正赶上一项世界纪录——她和她的同事正试图在实验室进行有史以来最长的人类胚胎培养，试图弄清楚这一小块细胞是如何发展成复杂的多组织结构的。之前的研究在一周后中止，但泽尼克-戈茨很清楚，一周后的人类发展仍然值得探索。

研究者最初使用的胚胎是由不再需要体外受精的女性捐赠的。研究小组略微调整了先前小鼠胚胎的培养方法，将细胞浸泡在特殊的培养基中，然后放入培养箱中。因为胚胎样本必须在严格控制的环境中，研究人员一天只能移动样本一到两次，以便在显微镜下追踪它们的发育。

到第六、第七和第八天，胚胎仍然顽强地发育。泽尼克-戈茨回忆道，“我们几乎屏住呼吸，每天都很兴奋。”研究小组第一次尝试持续了12天，最终达到了13天。她说:“一切都难以置信。我非常高兴。”

像以前来自纽约的团队一样，Zernicka-Goetz团队的研究结果也是过去五年中促进早期人类发展研究的少数亮点之一。由于人类胚胎来源有限，研究人员对胚胎的早期发育知之甚少。然而，目前，细胞培养方法已经得到不断改进，现在人类胚胎的体外培养时间已经延长到两周。科学家正在使用基因编辑技术，如CRISPR，来构建人工“胚胎样”结构，以研究促进胚胎和胚胎支持组织形成的细胞信号和力量。

这些技术有助于阐明早期胚胎发育的关键过程，如胚胎植入——一旦极小的胚胎被植入子宫内膜，就很难直接研究它们。新的高分辨率数字图像使肌肉和神经在发育后的几周内生长清晰。这些发现可以让研究人员更好地找到出生缺陷、发育障碍甚至流产的原因。

新技术带来了新的希望，但也将研究人员推入了一个未知的伦理环境。伦理学家和科学家在20世纪70年代末达成了“14天规则”，要求人类胚胎研究必须在受精后14天内完成——14天是神经系统逐渐形成的第一天，也是胚胎分裂的最后一天。迄今为止，国际公认的14天规则纯粹是一个假设性的限制。

纽约黑斯廷斯中心的生物伦理学家约瑟芬·约翰斯顿说，“没有人违反这个规则，但是现在突破这个限制在技术上是可行的。”

不同的

动物界许多物种的早期发育过程惊人地相似，除了一些基因或信号略有不同。在哺乳动物中，科学家们已经最彻底地研究了小鼠发育的分子机制，并通过一个接一个地禁用基因来确定它们的功能。实验所需的小鼠数量一般容易获得，并且小鼠和人的早期细胞类型和细胞成分相似，因此小鼠胚胎已成为人类胚胎发育研究的合适替代选择。然而，研究人员也开始怀疑这种相似性的程度。

加拿大多伦多儿童医院的发育生物学家珍妮特·罗桑特说，“当我们步入早期人类发育研究的大门时，人们越来越意识到小鼠胚胎和人类胚胎是相似但不同的。”

由于人类组织来源有限，科学家只能通过有效的基因编辑技术来协助探索胚胎的早期发育。由于对胚胎基因改造的伦理争议不断，迄今为止只有少数研究团队被允许进行这项研究。

英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家凯西·尼亚坎在监管机构的批准下走在了前面。2017年，尼亚坎团队报道了如何使用CRISPR-Cas9技术编辑人类和小鼠胚胎干细胞中表达的基因。基因被剔除后，人类胚胎将缺少一种叫做OCT4的蛋白质，这种蛋白质将阻止胚胎发育成胚泡。相比之下，剔除该基因的小鼠胚胎可以发育成胚泡，然后逐渐萎缩。

这种差异呼应了一种越来越被接受的观点，即即使在发育的早期阶段，某些特定的基因信息也可能仅对人类有意义，比如特定的基因被激活时。

寻找“新家”

发育成胚泡后，小胚泡必须植入子宫内膜才能存活。一旦植入子宫内膜(大约第7天)，科学家就很难继续研究胚泡的发育。第一个挑战是如何观察整个植入过程。此前，研究人员没有可靠的方法让胚胎发育超过一周。

现在，科学家终于打开了黑匣子。在2016年5月发表的两篇论文中，纽约洛克菲勒大学的泽尼克-戈茨团队和阿里·布里万卢团队首次报道了一个允许人类胚胎培养12到13天的系统。

研究人员指出，只要生长因子和营养成分按正确的比例混合，培养皿中的人类胚胎就可以“植入”到培养皿的底部。特别值得注意的是，早期重组步骤可以在胚胎植入后在没有母体组织的情况下触发。

这种胚胎培养确实打破了几项记录，超出了之前动物实验的预期，也限制了对通过流产和其他途径获得的人体组织样本的研究。

在最新的实验中，胚胎植入培养皿底部后，细胞外层开始分化成早期胎盘和其他类型的细胞，以支持胚胎发育。胚胎和卵黄囊前体也在细胞内发育，这是向胚胎输送血液的早期结构。在第14天结束时，两个小组都遵守了第14天的规则并完成了实验。

那时，一些胚胎已经停止发育。然而，研究人员表示，随着技术的发展，这些培养系统将有助于揭示胚胎头两周的更多细节。

许多关键事件将在第三周的原肠胚阶段完成。从那时起，胚胎发育成体轴，体轴的一端慢慢发育成头部。随后，细胞开始迁移和分化，形成三个胚层，最终形成身体的所有组织和器官。这个过程非常重要，也是道德日被限制在14天的主要原因。

现在，一些研究人员正在寻找替代方法，通过人类干细胞技术创造人造胚胎样结构，这可以免除14天规则。然而，胚胎缺乏一些完全发育所必需的成分，植入后不能发育成人类。

在2017年由bioRxiv(一种预印的服务器)发布的一项研究中，德克萨斯州莱斯大学的研究团队证实了生长因子的动态性发挥了作用。研究人员发现，特定的蛋白质组可以增强信号传导，并以波的形式从外向内传播，最终形成不同类型的细胞。

Brivanlou的团队对这个系统做了进一步的研究。今年5月，研究人员使用混合生长因子来诱导“组织”细胞的形成。这些特殊的细胞可以引导周围的细胞在动物体内从头到尾形成体轴。然而，14天规则在一定程度上限制了科学家，并阻止他们目睹人类组织细胞的活动。

面对人类胚胎研究伦理和技术的双重限制，布里万娄只能将假定的人类组织细胞群移植到发育中的鸡胚上，观察移植的细胞群如何引导鸡细胞发育成第二套鸡神经系统。

持续发展

研究人员在破译发育的后期阶段方面也取得了相当大的进展，大部分进展是由于组织染色和成像技术的改进。

在2016年发表在《科学》杂志上的一份报告中，荷兰阿姆斯特丹大学学术医学中心的研究人员对15000种不同类型的组织切片进行了数字化处理。随着科技的不断进步，科学家们希望对人类的发展有更深入的了解，并揭示流产和出生缺陷的原因。

对早期胚胎发育的进一步关注也引发了更激烈的伦理争论。泽尼克-戈茨和布里万卢的延迟实验使得重新权衡“14天规则”利弊的声音再次出现。

今年5月，莱斯大学贝克健康和生物科学研究所组织的一次会议邀请了30名美国科学家、伦理学家和其他领域的专家，讨论是否以及如何调整14天规则。

一些与会专家表示，14天规则应该保留，同时允许特殊情况下的例外。

随着这一领域研究成果的不断出现，科学家们对技术进步既欣喜又不安。约翰斯顿认为这两种情绪都值得关注。“惊奇和敬畏时刻提醒我们，这是人类最初的样子，并时刻提醒我们，这不仅仅是普通的细胞。”她说。(鲁也编)

中国科学新闻(2018-08-28第三版国际版)