14天规则:实验室培育出的人类胚胎如何真正帮助到人类?

2021年09月15日 10:25 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

阿里·布里万罗正在他的实验室进行一系列实验,时间已经来到第13天,此时他正面临一项艰巨的任务,他的发育生物学家团队已经解冻了数十个人类胚胎,并将胚胎放在单独的培养皿中,观察它们在发育最初阶段的生长——这个过程,全世界仅有少数研究人员见过。但是,布里万罗清楚,实验即将结束。


中美科学家造出“人-猴胚胎”意味着什么?

来源:nature

作者:Kendall Powell

图1:一个在实验室中生长了12天的人类胚胎,可以看到将形成胚胎本身(紫红色)的细胞。

图1:一个在实验室中生长了12天的人类胚胎,可以看到将形成胚胎本身(紫红色)的细胞。

再多一天,这些胚胎的生长将违反14天规则:国际上一致同意,人类胚胎在受精后只能在实验室内培养和生长14天。第14天大致是原始纹路出现的时间,该结构标志着胚胎形成身体中枢,并开始分化出头部和尾部,左侧和右侧。

布里万罗回忆起2015年在纽约洛克菲勒大学实验室进行的研究时表示:“这是我一生中必须做出的最艰难决定之一,但实验必须停止。”在第13天,研究小组从培养皿底部取下胚胎,将其冷冻,以抑制胚胎的进一步生长,人们当时无法知晓在第13天之后胚胎会发生什么。

现在,布里万罗和其他发育生物学家将有机会找出答案。

今年5月份,国际干细胞研究学会(ISSCR)发布了一项新指南。新指南放宽了14天规则,清除了硬性障碍。尽管世界上只有少数实验室完善了将人类胚胎培养到第14天所需的技术,但科学正在飞速发展。放宽的规定可以允许培养人类胚胎合法的国家的实验室团体向监管机构申请在第14天后继续开展研究的许可。这样的研究将揭示受精一周之后,胚胎植入子宫之后,人类的发育过程。大约在第14天到第22天期间,胚胎会经历原肠胚形成阶段,这时候身体的主要轮廓开始显现,并为器官生成奠定基础。

了解这些后期阶段可以允许科学家们更好地弄清楚近三分之一的流产以及许多被认为是在这些发育阶段产生的先天性出生缺陷。另外,这些阶段也将为细胞如何分化成组织和器官提供线索,这又可以促进再生医学的发展。

大多数研究人员预期,少数团队将很快推进实验室内培养人类胚胎的技术边界。少数有这个能力的团队之间竞争非常激烈。在其他地方,人们也将修改法律以推动这些研究的发展。

不过,研究人员认为目前还不会出现大量新的第14天后的胚胎研究,他们也不认为这样的实验室是合理的,很多发育生物学家个人对使用人类胚胎作为研究系统本身持谨慎态度。

为了绕过这道硬关卡,研究人员在过去五年中开发了一系列人类胚胎模型,其中大多数由干细胞混合物形成。这些模型模拟了胚胎早期发育的多个但简短的阶段,并且在制作过程中也无需使用接受体外受精治疗的患者捐赠的稀有且符合伦理道德的人类胚胎。到目前为止,14天规则不适用于这些胚胎模型。但是,随着这些模型变得更加复杂,而且有可能形成可辨识的结构、乃至器官,人类胚胎模型也走进了其本身的道德灰色地带。

无论是使用模型还是真正的胚胎,科学家们都表示他们要学的东西还有很多。胚胎是伟大的老师,它们是教会我们关于我们的成长与老去的一切奥秘的结构。

突破极限

14天规则首次提出于1979年,那时体外受精技术刚刚出现,人类胚胎首次存在于体外——尽管当时体外胚胎的存活时间最长不过几天。及至2006年,当ISSCR发布第一版人类胚胎干细胞指南时,14天规则在研究界已经牢不可破。

该指南已被世界各地的研究人员和资助者广泛采纳。在包括德国和奥地利在内的几个国家,任何针对人类胚胎的研究都是非法的,而许多其他国家(如英国、中国、日本、澳大利亚和加拿大)则通过法律规定了14天的限制。在包括美国和以色列在内的少数国家,尽管有指南但并没有法律禁止或限制人类胚胎研究,不过在美国这类研究不能获得联邦资助。

ISSCR指南的上一次更新发布于2016年,即两个研究小组发布突破性成果的前夕。

2013年,英国剑桥大学的实验室开始探索培养超过7天的人类胚胎。该研究团队想知道在囊胚或“细胞球”阶段之后,胚胎会发生什么。研究团队精心设计出正确的激素和生长因子配方。2016年,团队称他们已经将人类胚胎培育到第12-13天。

研究人员表示:“我们的发现,比如人类把我们未来的脑袋放在哪里,这些非常重要。我对第二周、第三周和第四周的胚胎发育非常着迷,这些阶段我们用超声波无法看到,但却是主要器官的祖细胞开始发育的时期。”

有一个问题涉及到基因在胚胎细胞生长过程中的表达。在迄今为止规模最大的一个人类胚胎研究中,研究团队分析了来自16个实验室培育胚胎的4820个单细胞。这些胚胎的生长阶段包括植入子宫的阶段(第5天)到原肠胚形成的准备阶段(第11天)。单细胞RNA测序揭示了在胚胎细胞从全能性(即可以分化为体内任何细胞)转变为多能性(更加分化的状态)这个过程中,哪些基因会关闭、哪些基因会激活。

尽管我们已经知道小鼠的这些发育信号,但这项研究仍是首个揭示负责人类发育的分子的研究之一。

图3:受精十天后实验室培养的人类胚胎,紫色部分为将发展成为胎儿的细胞。

图3:受精十天后实验室培养的人类胚胎,紫色部分为将发展成为胎儿的细胞。

在其他只能用培养的人类胚胎进行的实验中,研究团队始终避免不了人类胚胎以异倍体细胞告终的命运。这些异倍体细胞为染色体数量异常的细胞,半数早期妊娠失败或许都与异倍体细胞有关。

体外受精诊所通常只检测少数胚胎细胞,以分析胚胎的遗传健康状况。但实验表明,这样的检测或具有误导性。研究团队发现,被诊断出具有某些类型异倍性的胚胎后续仍可以在实验室中正常发育,团队分析了从第3天到第14天这段时间里,人类胚胎内的基因表达,发现染色体数量异常的细胞逐渐消失——可能是发育成了支持组织或通过细胞死亡的方式被淘汰。研究表明,对体外受精胚胎进行的异倍体测试往往会导致许多胚胎被错误地诊断为“不健康”。

研究人类胚胎对了解这些信息非常重要,我们只能通过观察胚胎的发育,去了解到这些信息,除此之外,别无他法。研究人员眼下正在筹划实验,有些或许可以持续到第14天之后,从而试图弄清楚具有某些异倍体细胞的胚胎究竟是如何进行调整的。

两周之后

研究动物胚胎的研究人员已经将胚胎的培育进行到相当于人类胚胎发育到第14天之后的阶段,这或许可以为人类胚胎培育的类似发展铺平道路。今年三月份,以色列魏茨曼科学研究所的团队将小鼠胚胎在实验室培养的时间从第5.5天延长到第11天(大约相当于人类胚胎的第13天到第30天这个阶段)。虽然其他研究人员称这个过程对细节要求十分挑剔,但小鼠胚胎在器官发育过程中进展顺利。

科学家希望解锁将干细胞变为第一个大脑细胞的基因奥秘,还希望揭示形成心脏四个腔室的分子指令。这两个发展过程都发生于胚胎发育的第14天之后,解开这两个谜团将对了解神经发育障碍和常见的先天性心脏缺陷至关重要。

在未来,研究人员将在技术上可以在实验室内观察人类胚胎植入子宫组织的过程。研究团队正向监管委员会申请,把人类胚胎研究延长到底21天。在这额外的一周内,整个婴儿身体将确定下来,包括日后发育成为脊髓、大脑、骨骼、心脏、血液、肌肉以及面部的结构等等。

胚胎建模

研究人员已经找到一些观察哺乳动物原肠胚形成过程的办法,而且不使用真正的胚胎,而是通过从干细胞的3D混合物构建胚胎模型。

在过去五年中,研究人员已经在实验室中制作出各种胚胎模型,可用于观察第14天后的胚胎发育。在大多数情况下,胚胎模型不受14天规则的约束或任何特殊审查的约束。

图4:这些模拟囊胚阶段的胚胎模型是从皮肤细胞重编程而来的。

图4:这些模拟囊胚阶段的胚胎模型是从皮肤细胞重编程而来的。

2017年,密歇根大学安娜堡分校的生物医学工程师团队通过将胚胎干细胞放入3D培养中,制作出第一个人类胚胎模型。在3D培养中,胚胎干细胞自我形成羊膜囊和原条的最初迹象。研究结果在该领域引发极大轰动,“人类胚胎干细胞存在这样的可能性,非常令人兴奋。”

此后,类似的模型越来越多,如今这些模型已经可以模拟小鼠和人类胚胎发育的部分最早期阶段——植入、原肠胚形成以及大脑、脊髓和心脏发育的初步开始。例如,科学家制作了人类神经元,该神经元可以模拟脊髓和大脑的前体细胞的形成,该人类神经元未来可以帮助研究人员培育出有朝一日或许可以植入患者体内的功能性神经元。细胞混合物在外观及行为上往往与同一阶段的胚胎相似,但它们是否也可以重现正常发育的分子和细胞事件,仍是一个巨大的未解之谜。

随着人类胚胎模型可以形成更为复杂的结构并不断向前推进发育时间,人类胚胎模型也带来了新的伦理问题。例如,胚胎模型的神经元可以开始放电或心脏细胞开始跳动。或者,人类胚胎模型也许还具有潜力,发育到目前模拟的有限阶段更往后的阶段。大多数胚胎模型缺乏形成完整胚胎所需的全部生命支持组织,但是过去几年中,少数实验室已经构建了囊胚阶段的小鼠和人类胚胎模型,称为“胚泡”。这些模型包含支持组织的前提细胞,理论上可以形成完整的生物体。

ISSCR也在关注该领域,并且ISSCR发布的指南提出,包含这类支持组织的胚胎模型必须受到特殊监管,并在实现科学目标所需的最短时间内培育。随着技术的发展,我们需要重新思考这些胚胎模型的伦理问题,毫无疑问,这个领域需要监管。

随着对真正胚胎和模型胚胎的研究不断推进,科学家们也十分想知道这两者之间到底有多少相似性。真正胚胎和模型胚胎在分子细节上有何不同,以及它们各自的细胞如何表现,也是研究人员希望将真正胚胎的研究延长到第14天之后的一个主要原因,我们可以从模型中学到很多东西,但更重要的是知道问题出在哪里。

2020年,内奥米·莫里斯和同事对小鼠胚胎和小鼠原肠胚进行了并排金基因表达比较。他们发现,这两者,在规划身体发育蓝图的信号节点之间有着惊人的相似之处。这种精准的基准比较也应该用于人类原肠胚,但是这就需要将人类的胚胎培育到大约第21天的时候。一旦有了足够的基准比较,研究人员就可以减少使用的人类胚胎数量,只有在具有充分理由的时候才会使用人类胚胎。

停下脚步

但是,研究人员应该在培养皿中观察人类胚胎发育的时间是多长呢?批评者认为,ISSCR在没有为研究人员设定一个新的实验终止点的情况下,就放宽14天规则,这样的做法极不负责任。这等于为胚胎研究亮了绿灯。

ISSCR委员会在过去18个月中开了100多场Zoom线上会议才制定出新的指南。科学进步如此之快,以至于科学界很难再制定出另一个停止标志。相反,只要有适当的监管,指南为未来的研究提供了可能性。

类似异常染色体的研究工作实际上或许可以挽救下一代的生命。一些研究员认为,禁止某些14天之后的研究其实是不道德的,因为这些研究可以揭示器官细胞的形成过程,以及流产和先天缺陷的产生原因。

哪些实验和模型可以被赋予等同于第14天后胚胎研究的地位,这个问题也越来越模糊。ISSCR的指南制定了明确的伦理划分,只将包含支持组织的胚胎模型(理论上有可能完全发育的模型)划分为第14天后胚胎研究的同一类别。(指南也禁止将人类研究胚胎、人类-动物嵌合胚胎或人类胚胎模型转移到动物和人类的子宫内。)

但还有一些研究人员对取消14天的限制持保守态度。例如,公众并没有真正的机会去权衡14天之后的实验后果。

限制可以让大家明白,科学界理解社会重视人类胚胎并尊重人类胚胎。放弃限制“可能会动摇公众的信任”。另外,研究人员也需要更好地解释研究第14天之后的胚胎将如何“真正地帮助到人类”,他们还需要提前了解胚胎研究的细节,很多这样的研究感觉很遥远,但没有一些约束限制肯定是不理智的。

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