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当人体胚胎遭遇“14天规则” 新技术为人类发育研究带来突破性见解与伦理问题

生物技术 时间:2019-09-21 18:17:54 作者:莫敖坤
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当人体胚胎遭遇“14天规则” 新技术为人类发育研究带来突破性见解与伦理问题

惊奇和敬畏让我们无时不谨记这是人类最初的样子,让我们无刻不警醒这不仅仅是普通细胞。图片来源:Toby Leigh

在2013年紧张的两周里,英国剑桥大学发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz正在赶超一项世界纪录——她和同事尝试在实验室里进行有史以来时间最长的人体胚胎培养,试图摸索出这一小团细胞何以发育成一个复杂的多组织结构。之前的研究都在持续1周后中止了,但Zernicka-Goetz深知,1周后的人体发育还有很多值得深究之处。

研究人员最初使用的胚胎由那些不再需要接受体外受精的女性捐赠。研究团队将之前小鼠胚胎的培养方式稍加调整,先把细胞浸泡在特殊的培养基里,再放入培养箱中。由于胚胎样本必须处于严格受控的环境中,研究人员每天只能移动一到两次样本,在显微镜下跟踪它们的发育情况。

到了第六天、第七天、第八天,胚胎仍在顽强发育着。Zernicka-Goetz回忆道,“我们几乎都屏住了呼吸,一天比一天激动。”研究团队首次尝试就坚持了12天,并最终达到13天。她说:“一切都难以置信。我高兴坏了。”

与之前来自美国纽约的一支团队一样,Zernicka-Goetz团队的成果也是过去5年来推动早期人体发育研究为数不多的亮点之一。由于人体胚胎来源有限,研究人员对胚胎早期发育知之甚少。但目前,细胞培养方法不断改进,如今体外培养人体胚胎的时间已能延长至两周。科学家正使用CRISPR等基因编辑技术,构建人造“胚胎样”结构,用来研究促进形成胚胎以及胚胎支持组织的细胞信号和作用力。

这些技术有助于阐明胚胎早期发育的关键过程,如胚胎植入——极小的胚胎一旦植入子宫内膜,就难以对其进行直接研究。全新高分辨率数字图像让发育后几周里的肌肉和神经生长一目了然。这些发现能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。

新技术带来了新希望,但也把研究人员推入了未知的伦理境地。伦理学家和科学家在上世纪70年代末达成了“14天规则” ,要求人体胚胎研究必须在受精后的14天内结束——14天是神经系统逐步成形的第一天,也是胚胎分裂的最后一天。到目前为止,国际公认的14天规则一直是一个纯假设的限制。

纽约黑斯廷斯中心生物伦理学家Josephine Johnston表示,“并没有人违反这个规则,但如今,要突破这个限制从技术上说是可行的。”

有所不同

动物界许多物种的早期发育过程都惊人的相似,只是一些基因或信号稍有不同。在哺乳动物中,科学家对小鼠发育的分子作用机制研究得最为透彻,通过让基因逐个失效来确定它们的功能。实验所需的小鼠数量一般很易获得,而且小鼠与人类的早期细胞类型和细胞成分较相似,小鼠胚胎因此成了人体胚胎发育研究的适当替代选择。不过,研究人员也开始怀疑这种相似性究竟能达到什么程度。

加拿大多伦多儿童医院发育生物学家Janet Rossant表示,“随着踏入人体早期发育研究的大门,人们越来越认识到小鼠胚胎和人体胚胎虽然相似,但并不一样。”

由于人体组织来源有限,科学家只能通过高效的基因编辑技术辅助探索胚胎的早期发育。又因为围绕胚胎遗传修饰的伦理争议不断,迄今为止,只有少部分研究团队获准开展这方面的研究。

英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所发育生物学家Kathy Niakan团队率先获得了监管当局的批准。2017年,Niakan团队报告了如何使用CRISPR-Cas9技术对一个同时在人体和小鼠胚胎干细胞中表达的基因进行编辑。敲除该基因后,人体胚胎会缺少一种名为OCT4的蛋白,导致胚胎无法发育成囊胚。相比之下,同样敲除该基因的小鼠胚胎却能发育成囊胚,之后逐渐萎缩。

这种差异呼应了一种越来越受到认同的观点——即使在发育早期,一些具体的遗传信息可能只对人类才有意义,如特定基因何时被激活等。

找到“新家”

发育成囊胚后,小囊胚必须在子宫内膜着床才能继续存活。一旦埋入子宫内膜(约第七天时),科学家基本无法继续研究囊胚的发育。第一个挑战就是如何观察整个植入过程。从前,研究人员尚无可靠手段让胚胎发育时间超过1周。

如今,这个黑匣子终于被科学家打开。在2016年5月发表的两篇论文中,Zernicka-Goetz团队和纽约洛克菲勒大学的Ali Brivanlou团队首次报告了能让人体胚胎培养至12~13天的系统。

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