医学顾事 中华医学会理事 神经外科教授
《自然》：人造胚胎的里程碑！用干细胞“全合成”人类胚胎
在人体内，人类胚胎最初两三周的发育过程如同一个“黑匣子”，是人类发育中最难研究的时期之一。但如今，生物学家们向前迈出了一大步：利用人类干细胞，人工制造出一枚胚胎，以模拟人类胚胎的早期发育。
日前，顶尖学术期刊《自然》正式上线了两篇论文，来自英国剑桥大学和美国耶鲁大学的两支研究团队“背靠背”报告了他们在“人工创造人类胚胎模型”上取得的突破性进展。就在不久前的2023年国际干细胞研究学会（ISSCR）年会上，相关研究进展一经公布便引起了极大关注。
《自然》：人造胚胎的里程碑！用干细胞“全合成”人类胚胎
图片来源：123RF
当精子与卵子相遇形成受精卵，经过两到三周，胚胎进入了发育的第一个关键点。此时，也就是原肠胚形成的阶段，胚胎细胞开始转化为特化细胞，引发了细胞多样性的大爆炸。其中，胚胎细胞成为未来血液、组织、肌肉和其他类型的细胞的前体细胞，原始的身体轴开始建立。在人类自然发育过程中，发育的第二周是胚胎植入子宫的关键时期，也是大多数妊娠因未知原因而失败的阶段。
不同于卵子和精子结合形成的胚胎，全新的两种人类胚胎模型都是完全由生长于培养皿中的干细胞生成。先前此类体外培养的胚胎发育模型仅包含胚胎成分，而新模型均有两个组成部分：除了胚胎外，还有支持胚胎生长的胚胎外组织（如胎盘和卵黄囊）。因此，它们可以用于模拟胚胎在植入后阶段的细胞变化，让研究人员突破无法在体内观察植入后胚胎的限制。
《自然》：人造胚胎的里程碑！用干细胞“全合成”人类胚胎
其中一项研究由剑桥大学的发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz教授领衔完成。在此之前，这支团队已经成功地以小鼠为实验对象，用三种干细胞——胚胎干细胞和两种胚外干细胞——创造出了人工胚胎模型。在一年前发表的《自然》论文中，Zernicka-Goetz教授的团队展示了他们的人造小鼠胚胎可以持续发育至神经管形成，长出类似大脑的结构。
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源自人类干细胞的胚胎模型并没有大脑或心脏，但同样由三种干细胞结合并通过自组织形成三维结构，具有可以继续形成胚胎、胎盘和卵黄囊的细胞，并且可以模拟出真实胚胎的几个重要特征，包括分化出羊膜、原始生殖细胞样细胞（也就是将来形成精子和卵子的细胞）。
《自然》：人造胚胎的里程碑！用干细胞“全合成”人类胚胎
另一项研究由耶鲁大学的Berna Sozen博士带领团队完成，采用了不同的策略和方法，但殊途同归，创造出了类似于受精后9~14天的人类胚胎。
这支研究小组使用了单一干细胞类型，在三维培养系统中，将胚胎干细胞暴露在刺激细胞自发自组织和分化的条件下，由此分化为胚胎和胚胎外前体两个谱系。在此过程中，研究人员分析了它们在发育过程中如何相互传递信号，特定基因如何相互影响。目前新模型的效率超过70%，也就是说干细胞在大约70%的时间内正确聚集。
《自然》：人造胚胎的里程碑！用干细胞“全合成”人类胚胎
具有顶端基底极性的内外胚层样结构域（黄色顶端，蓝色基底），类似于植入后人类胚胎的外胚层（图片来源：参考资料[4]；Credit：剑桥大学
值得一提的是，除了这两篇刚刚正式发表的研究论文外，近期还有几个研究小组也在预印本网站报告了使用人类干细胞创造人类胚胎的新进展，包括中国昆明理工大学李天晴教授等带领的团队，和以色列魏茨曼科学研究所的Jacob H. Hanna博士领衔的研究团队。
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这些集中爆发的突破性进展将会为阐明早期人类发育带来前所未有的机会，例如探索不同基因在发育过程中的作用。除此之外，从干细胞衍生而来的模拟人类胚胎，还可以帮助研究人员更好地了解出生缺陷并探测怀孕期间使用的药物的安全性。
当然，这些人类早期胚胎模型也引起了有关伦理和监管的热议。科学家们指出，由于模型缺乏一些细胞谱系，与受精后自然发育的人类胚胎并不完全相同，不具备进一步发展的能力。不过，组织培养物和人类有机体之间的界限要如何划定之类的问题，无疑值得思考。
参考资料：
[1] Monique Pedroza et al., (2023) Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06354-4
[2] Bailey A. T. Wehtherbee et al., (2023) A model of the post-implantation human embryo derived from pluripotent stem cells. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06368-y
[3] Biologists create detailed lab replicas of early human embryos. Retrieved June 29, 2023 from https://www.science.org/content/article/biologists-use-human-stem-cells-create-embryo-replicas
[4] Human embryo-like models created from stem cells to understand earliest stages of human development. Retrieved June 29, 2023 from https://www.cam.ac.uk/research/news/human-embryo-like-models-created-from-stem-cells-to-understand-earliest-stages-of-human-development
