阿裡·布里萬羅正在他的實驗室進行一系列實驗，時間已經來到第13天，此時他正面臨一項艱巨的任務，他的發育生物學家團隊已經解凍了數十個人類胚胎，並將胚胎放在單獨的培養皿中，觀察它們在發育最初階段的生長——這個過程，全世界僅有少數研究人員見過。 但是，布里萬羅清楚，實驗即將結束。

中美科學家造出「人-猴胚胎」意味著什麼？

來源：nature

作者：Kendall Powell

圖1：一個在實驗室中生長了12天的人類胚胎，可以看到將形成胚胎本身（紫紅色）的細胞。

再多一天，這些胚胎的生長將違反14天規則：國際上一致同意，人類胚胎在受精后只能在實驗室內培養和生長14天。 第14天大致是原始紋路出現的時間，該結構標誌著胚胎形成身體中樞，並開始分化出頭部和尾部，左側和右側。

布里萬羅回憶起2015年在紐約洛克菲勒大學實驗室進行的研究時表示：”這是我一生中必須做出的最艱難決定之一，但實驗必須停止。 “在第13天，研究小組從培養皿底部取下胚胎，將其冷凍，以抑制胚胎的進一步生長，人們當時無法知曉在第13天之後胚胎會發生什麼。

現在，布里萬羅和其他發育生物學家將有機會找出答案。

今年5月份，國際幹細胞研究學會（ISSCR）發佈了一項新指南。 新指南放寬了14天規則，清除了硬性障礙。 儘管世界上只有少數實驗室完善了將人類胚胎培養到第14天所需的技術，但科學正在飛速發展。 放寬的規定可以允許培養人類胚胎合法的國家的實驗室團體向監管機構申請在第14天后繼續開展研究的許可。 這樣的研究將揭示受精一周之後，胚胎植入子宮之後，人類的發育過程。 大約在第14天到第22天期間，胚胎會經歷原腸胚形成階段，這時候身體的主要輪廓開始顯現，併為器官生成奠定基礎。

瞭解這些後期階段可以允許科學家們更好地弄清楚近三分之一的流產以及許多被認為是在這些發育階段產生的先天性出生缺陷。 另外，這些階段也將為細胞如何分化成組織和器官提供線索，這又可以促進再生醫學的發展。

大多數研究人員預期，少數團隊將很快推進實驗室內培養人類胚胎的技術邊界。 少數有這個能力的團隊之間競爭非常激烈。 在其他地方，人們也將修改法律以推動這些研究的發展。

不過，研究人員認為目前還不會出現大量新的第14天后的胚胎研究，他們也不認為這樣的實驗室是合理的，很多發育生物學家個人對使用人類胚胎作為研究系統本身持謹慎態度。

為了繞過這道硬關卡，研究人員在過去五年中開發了一系列人類胚胎模型，其中大多數由幹細胞混合物形成。 這些模型類比了胚胎早期發育的多個但簡短的階段，並且在製作過程中也無需使用接受體外受精治療的患者捐贈的稀有且符合倫理道德的人類胚胎。 到目前為止，14天規則不適用於這些胚胎模型。 但是，隨著這些模型變得更加複雜，而且有可能形成可辨識的結構、乃至器官，人類胚胎模型也走進了其本身的道德灰色地帶。

無論是使用模型還是真正的胚胎，科學家們都表示他們要學的東西還有很多。 胚胎是偉大的老師，它們是教會我們關於我們的成長與老去的一切奧秘的結構。

突破極限

14天規則首次提出於1979年，那時體外受精技術剛剛出現，人類胚胎首次存在於體外——儘管當時體外胚胎的存活時間最長不過幾天。 及至2006年，當ISSCR發佈第一版人類胚胎幹細胞指南時，14天規則在研究界已經牢不可破。

該指南已被世界各地的研究人員和資助者廣泛採納。 在包括德國和奧地利在內的幾個國家，任何針對人類胚胎的研究都是非法的，而許多其他國家（如英國、中國、日本、澳大利亞和加拿大）則通過法律規定了14天的限制。 在包括美國和以色列在內的少數國家，儘管有指南但並沒有法律禁止或限制人類胚胎研究，不過在美國這類研究不能獲得聯邦資助。

ISSCR指南的上一次更新發佈於2016年，即兩個研究小組發佈突破性成果的前夕。

2013年，英國劍橋大學的實驗室開始探索培養超過7天的人類胚胎。 該研究團隊想知道在囊胚或”細胞球”階段之後，胚胎會發生什麼。 研究團隊精心設計出正確的激素和生長因數配方。 2016年，團隊稱他們已經將人類胚胎培育到第12-13天。

研究人員表示：「我們的發現，比如人類把我們未來的腦袋放在哪裡，這些非常重要。 我對第二周、第三周和第四周的胚胎發育非常著迷，這些階段我們用超聲波無法看到，但卻是主要器官的祖細胞開始發育的時期。 ”

有一個問題涉及到基因在胚胎細胞生長過程中的表達。 在迄今為止規模最大的一個人類胚胎研究中，研究團隊分析了來自16個實驗室培育胚胎的4820個單細胞。 這些胚胎的生長階段包括植入子宮的階段（第5天）到原腸胚形成的準備階段（第11天）。 單細胞RNA測序揭示了在胚胎細胞從全能性（即可以分化為體內任何細胞）轉變為多能性（更加分化的狀態）這個過程中，哪些基因會關閉、哪些基因會啟動。

儘管我們已經知道小鼠的這些發育信號，但這項研究仍是首個揭示負責人類發育的分子的研究之一。

圖3：受精十天后實驗室培養的人類胚胎，紫色部分為將發展成為胎兒的細胞。

在其他只能用培養的人類胚胎進行的實驗中，研究團隊始終避免不了人類胚胎以異倍體細胞告終的命運。 這些異倍體細胞為染色體數量異常的細胞，半數早期妊娠失敗或許都與異倍體細胞有關。

體外受精診所通常只檢測少數胚胎細胞，以分析胚胎的遺傳健康情況。 但實驗表明，這樣的檢測或具有誤導性。 研究團隊發現，被診斷出具有某些類型異倍性的胚胎後續仍可以在實驗室中正常發育，團隊分析了從第3天到第14天這段時間里，人類胚胎內的基因表達，發現染色體數量異常的細胞逐漸消失——可能是發育成了支援組織或通過細胞死亡的方式被淘汰。 研究表明，對體外受精胚胎進行的異倍體測試往往會導致許多胚胎被錯誤地診斷為”不健康”。

研究人類胚胎對瞭解這些資訊非常重要，我們只能通過觀察胚胎的發育，去瞭解到這些資訊，除此之外，別無他法。 研究人員眼下正在籌劃實驗，有些或許可以持續到第14天之後，從而試圖弄清楚具有某些異倍體細胞的胚胎究竟是如何進行調整的。

兩周之後

研究動物胚胎的研究人員已經將胚胎的培育進行到相當於人類胚胎發育到第14天之後的階段，這或許可以為人類胚胎培育的類似發展鋪平道路。 今年三月份，以色列魏茨曼科學研究所的團隊將小鼠胚胎在實驗室培養的時間從第5.5天延長到第11天（大約相當於人類胚胎的第13天到第30天這個階段）。 雖然其他研究人員稱這個過程對細節要求十分挑剔，但小鼠胚胎在器官發育過程中進展順利。

科學家希望解鎖將幹細胞變為第一個大腦細胞的基因奧秘，還希望揭示形成心臟四個腔室的分子指令。 這兩個發展過程都發生於胚胎發育的第14天之後，解開這兩個謎團將對瞭解神經發育障礙和常見的先天性心臟缺陷至關重要。

在未來，研究人員將在技術上可以在實驗室內觀察人類胚胎植入子宮組織的過程。 研究團隊正向監管委員會申請，把人類胚胎研究延長到底21天。 在這額外的一周內，整個嬰兒身體將確定下來，包括日後發育成為脊髓、大腦、骨骼、心臟、血液、肌肉以及面部的結構等等。

胚胎建模

研究人員已經找到一些觀察哺乳動物原腸胚形成過程的辦法，而且不使用真正的胚胎，而是通過從幹細胞的3D混合物構建胚胎模型。

在過去五年中，研究人員已經在實驗室中製作出各種胚胎模型，可用於觀察第14天后的胚胎發育。 在大多數情況下，胚胎模型不受14天規則的約束或任何特殊審查的約束。

圖4：這些類比囊胚階段的胚胎模型是從皮膚細胞重程式設計而來的。

2017年，密歇根大學安娜堡分校的生物醫學工程師團隊通過將胚胎幹細胞放入3D培養中，製作出第一個人類胚胎模型。 在3D培養中，胚胎幹細胞自我形成羊膜囊和原條的最初跡象。 研究結果在該領域引發極大轟動，「人類胚胎幹細胞存在這樣的可能性，非常令人興奮。 ”

此後，類似的模型越來越多，如今這些模型已經可以類比小鼠和人類胚胎發育的部分最早期階段——植入、原腸胚形成以及大腦、脊髓和心臟發育的初步開始。 例如，科學家製作了人類神經元，該神經元可以類比脊髓和大腦的前體細胞的形成，該人類神經元未來可以説明研究人員培育出有朝一日或許可以植入患者體內的功能性神經元。 細胞混合物在外觀及行為上往往與同一階段的胚胎相似，但它們是否也可以重現正常發育的分子和細胞事件，仍是一個巨大的未解之謎。

隨著人類胚胎模型可以形成更為複雜的結構並不斷向前推進發育時間，人類胚胎模型也帶來了新的倫理問題。 例如，胚胎模型的神經元可以開始放電或心臟細胞開始跳動。 或者，人類胚胎模型也許還具有潛力，發育到目前類比的有限階段更往後的階段。 大多數胚胎模型缺乏形成完整胚胎所需的全部生命支持組織，但是過去幾年中，少數實驗室已經構建了囊胚階段的小鼠和人類胚胎模型，稱為”胚泡”。 這些模型包含支持組織的前提細胞，理論上可以形成完整的生物體。

ISSCR也在關注該領域，並且ISSCR發佈的指南提出，包含這類支持組織的胚胎模型必須受到特殊監管，並在實現科學目標所需的最短時間內培育。 隨著技術的發展，我們需要重新思考這些胚胎模型的倫理問題，毫無疑問，這個領域需要監管。

隨著對真正胚胎和模型胚胎的研究不斷推進，科學家們也十分想知道這兩者之間到底有多少相似性。 真正胚胎和模型胚胎在分子細節上有何不同，以及它們各自的細胞如何表現，也是研究人員希望將真正胚胎的研究延長到第14天之後的一個主要原因，我們可以從模型中學到很多東西，但更重要的是知道問題出在哪裡。

2020年，內奧米·莫裡斯和同事對小鼠胚胎和小鼠原腸胚進行了並排金基因表達比較。 他們發現，這兩者，在規劃身體發育藍圖的信號節點之間有著驚人的相似之處。 這種精準的基準比較也應該用於人類原腸胚，但是這就需要將人類的胚胎培育到大約第21天的時候。 一旦有了足夠的基準比較，研究人員就可以減少使用的人類胚胎數量，只有在具有充分理由的時候才會使用人類胚胎。

停下腳步

但是，研究人員應該在培養皿中觀察人類胚胎發育的時間是多長呢？ 批評者認為，ISSCR在沒有為研究人員設定一個新的實驗終止點的情況下，就放寬14天規則，這樣的做法極不負責任。 這等於為胚胎研究亮了綠燈。

ISSCR委員會在過去18個月中開了100多場Zoom線上會議才制定出新的指南。 科學進步如此之快，以至於科學界很難再制定出另一個停止標誌。 相反，只要有適當的監管，指南為未來的研究提供了可能性。

類似異常染色體的研究工作實際上或許可以挽救下一代的生命。 一些研究員認為，禁止某些14天之後的研究其實是不道德的，因為這些研究可以揭示器官細胞的形成過程，以及流產和先天缺陷的產生原因。

哪些實驗和模型可以被賦予等同於第14天后胚胎研究的地位，這個問題也越來越模糊。 ISSCR的指南制定了明確的倫理劃分，只將包含支持組織的胚胎模型（理論上有可能完全發育的模型）劃分為第14天后胚胎研究的同一類別。 （指南也禁止將人類研究胚胎、人類-動物嵌合胚胎或人類胚胎模型轉移到動物和人類的子宮內。 ）

但還有一些研究人員對取消14天的限制持保守態度。 例如，公眾並沒有真正的機會去權衡14天之後的實驗後果。

限制可以讓大家明白，科學界理解社會重視人類胚胎並尊重人類胚胎。 放棄限制”可能會動搖公眾的信任”。 另外，研究人員也需要更好地解釋研究第14天之後的胚胎將如何”真正地幫助到人類”，他們還需要提前瞭解胚胎研究的細節，很多這樣的研究感覺很遙遠，但沒有一些約束限制肯定是不理智的。