近日，人类胚胎的培育和发展再一次取得了突破性成果。面对近年来很多人关心的人造子宫、体外培育的前沿却又充满争议性的话题，最新一项研究的结果给出了重要的参考方向。
6月15日，由4个研究团队共同发表于bioRxiv上的“Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Naïve PSCs”中，研究报告了使用各类人类干细胞，在实验室中成功制造出14天大的与人类自然胚胎高度相似的人造胚胎。该研究报告所描述和研究的方向和成果，在体外成功复制和重现了人类胚胎发育过程中非常难以研究和复制的一个时期。
该研究团队首先在小鼠实验中尝试和成功进行了体外人工小鼠胚胎的培养，其中小鼠胚胎的细胞来源就是幼稚态多能干细胞。
细胞多能性（pluripotency）指的是一个细胞生成所有成年后个体中各类组织细胞类型的能力，这是早期胚胎发育的一个阶段性重要特征。科学界普遍认为细胞多能性至少存在2个完全不同的状态：幼稚态（naive）和待激活态（primed）。在细胞的体外培养中，幼稚态和待激活态的多能干细胞（PSCs）都可以形成三个胚层。但区别是，只有幼稚态多能干细胞（naïve PSCs）能有效地促进嵌合体动物（chimeric animals）的形成。鼠科动物胚胎干细胞（mESCs）幼稚态是更稳定的状态，在体外培养中相对可以较好的维持，但是人类多能干细胞（hPSCs）的稳定状态是待激活态（primed）。在基因操控和基因稳定性方面，幼稚态多能干细胞比待激活态多能干细胞更具优势，因此，控制和维持幼稚态人类多能干细胞一直是一个难题。
在小鼠中，干细胞衍生胚胎模型（SEM, Stem cell-derived Embryo Models) 衍生出包含关键胚胎和胚胎外隔室需要的最佳条件，包括高质量快速诱导原始内胚层 (PrE)，和幼稚多能干细胞 (PSC) 发展成的滋养外胚层 (TE)，这是通过成功的分别异位表达Gata4和Cdx2而实现的。尤其是Cdx2的成功表达，为胚胎合成提供了关键和独特的平台，使得小鼠干细胞在子宫外环境的自体组织能在原肠胚形成后，同时具有器官和胚外隔室的发展能力，而这一切全都只需要从最开始的幼稚态多能干细胞发展而来（naive PSC）。而更为重要的是，小鼠中的培养结果证明了，仅仅需要幼稚态多能干细胞，就可能足以在体外通过人工培育许多哺乳动物的胚胎 (包括人类)，并且与天然胚胎高度相似，而这一过程并不需要通过获取来自人类胚胎的其他衍生材料就可以实现，比如滋养层干细胞 (TSC, trophoblast stem cell) 或PRE/XEN系细胞（囊胚中的细胞系）。
图1.：人类幼稚态PSC发展出体外的胚胎细胞谱系。来源：biorxiv.org
因此，在人类胚胎中，为达成从幼稚态多能干细胞发展的胚胎体外培养，该研究首先着手建立了一个类似的模型和体系，通过异位表达Gata4和Cdx2使得人类幼稚态PSC发展出体外的胚胎细胞谱系 (如图1所示)。但同时要严格注意的是，在植入期后、原肠胚形成期前的早期人类胚胎已经含有额外的胚胎中胚层室，而这在小鼠中是没有的。
经过漫长而复杂的一些列基因诱导和胚胎细胞系形成，在8天的子宫外培养过程中，聚集体广泛生长，胚胎已形成具有明显组织隔室和内腔的3D球形结构（如图2所示）。
图2.：显微镜下观察的体外培养8天的人类胚胎。来源：biorxiv.org
这一全新胚胎模型的成功研究和达成，将可以帮助研究人员更好地在体外环境了解胚胎的正常和非正常发育，包括染色体缺陷等先天性胚胎发育问题。同时也可以在体外环境进行对母体无害的妊娠期用药安全研究，以及体外胚胎培养的新途径。
尽管研究中，通过幼稚态人类多能干细胞的培养，发展出了和人类自然胚胎高度相似的胚胎形态和细胞簇（如图3所示），但这些结构并不能概括或等同于人类自然胚胎的所有方面和因素。更多的是作为研究人类胚胎发育关键阶段的补充工具。
图3：SEM（干细胞衍生胚胎模型）中外胚层、下胚层和滋养层谱系的表征。来源：biorxiv.org
该领域的一些研究人员也表示，此研究中的体外合成胚胎，并不能完全复制自然胚胎，因为它们缺少一些细胞谱系，其组织机构也还暂时没有明确定义。有学者指出，真正胚胎的两个重要特征仍然存在于精子和卵子的前身中，因而由多能干细胞发展来的人类胚胎仍远远不及自然胚胎，但它们将会是非常有意义和有用途的实验系统。
该研究团队的研究人员现在希望改进他们的研究程序，以产生更精确的胚胎替代品，这样他们就可以更清楚地了解人类早期发育的过程。同时，他们会在人造胚胎与14天大的天然人类胚胎结构和特征相似时，停止实验的进程。尽管对人类体外受精胚胎进行更长时间的研究会带来更多宝贵的信息和价值，但14天胚胎一直是人类体外受精胚胎研究中，公认的培育时间上限。
同时，这一领域的研究也带来了很多令人担忧的伦理问题。比如，在英国，对于14天以上的体外受精胚胎的研究是被法律禁止的，因而英国的辅助生殖行业也向来非常严格。因出于伦理道德的高度规范和管理，在欧洲很多国家，不孕不育者需要达到非常严格的条件才可以使用体外受精相关的医疗手段。
不过，从另一个角度来说，此次研究中使用的新模型并不是由人类胚胎细胞中获取来的，虽然其结构和各项特征与人类自然胚胎高度相似，但归根到底，使用的并不是人类的受精卵衍生出来的胚胎细胞。研究中使用的是多能干细胞来发展为人类早期胚胎，因此伦理相关的法律不适用于该研究中的情况。
综上，该研究的突破性胚胎培育进展为人类胚胎学和多个相关学科带来了宝贵的参考信息和全新的潜在研究方法。而这样一个全新的体外胚胎发展方式也许将同时掀起新的一波人类体外研究的伦理讨论热潮。
参考文献：
Transgene-Free Ex Utero Derivation of A Human Post-Implantation Embryo Model Solely from Genetically Unmodified Naïve PSCs. bioRxiv 2023.06.14.544922; doi: https://doi.org/10.1101/2023.06.14.544922
