無需精子卵子子宮體外培育胚胎，Cell論文作者這番話讓網友們炸了

羿閣 2022-08-07 16:22:52 來源：量子位

羿閣 蕭簫 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

“我們沒有用到精子、卵子和子宮，僅用干細胞就培育出了合成小鼠的胚胎模型。”

一篇發表在Cell上的論文，這兩天簡直火出圈了，起因就是作者Jacob Hanna介紹論文時說的這番話。

從實驗結果來看，合成的胚胎不僅有一顆跳動的心臟，而且還自帶神經褶（neural folds）、前腸管（foregut tube）、血島（blood islands）等結構。

作者“語出驚人”后，這篇研究立刻引炸了微博，網友們的反應也是一波比一波熱烈。

有不少網友感到恐懼，甚至已經有人聯想到了機器生產的方法：

也有網友調侃：這是真·人工智能時代來了。

所以，這項研究真正做出了什么突破，離我們想象中的體外合成胚胎還有多遠？

這是一項什么樣的研究？

事實上，雖然胚胎干細胞一直被認為具有發育成器官或胚胎的潛力，但這個過程科學家們從來沒在體外實現過。

甚至僅僅是在體外將胚胎干細胞合成一個胚胎模型這個過程，也難以實現。

主要有兩個難點：

一方面，部分胚胎干細胞（具有多能性）并非受精卵（具有全能性），要想用它合成有不同細胞的胚胎模型，還需要進一步激發它分化的能力；

另一方面，體外培養環境復雜，人造子宮無法完全模擬出適合細胞生長的環境。

這項研究的關鍵突破之一，是成功地讓胚胎干細胞獨立產生了完整的原腸胚結構，包括胚胎和胚外組織（胎盤等），甚至從原腸胚進展到形成器官的早期階段（E8.5）。

作者們將體外合成的胚胎結構與體內進行了對比，“該有的都有”：

從圖中來看，雖然和體內胚胎發育的狀態不完全一樣，但這個胚胎的復雜度和精確性是“前所未有的”：

所以，作者是如何解決上述兩個難點的呢？

首先，作者采用一種特殊的方法，將胚胎干細胞重編程為原始態（naive）胚胎干細胞，盡可能激發細胞的分化能力，讓它“更有意愿”產生不同的細胞，構成完整的胚胎；

然后，作者采用了一種特殊的“機械子宮”，在體外模擬胚胎發育的環境，盡可能讓原始態胚胎干細胞去主動形成原腸胚，并形成器官。

形成原腸胚的過程，是細胞開始分化的一個關鍵時期（囊胚時期只經歷了細胞分裂），從而形成內胚層、中胚層和外胚層細胞，隨后才開始形成器官。

△細胞分化關鍵期

此前，完整原腸胚結構必須得借助“體內的力量”實現，即導入哺乳動物體內發育的胚胎中培養。

具體來說，科學家們會將體外培養的胚胎干細胞注射入囊胚（內部產生囊胚液、囊胚腔的胚胎）中，并與囊胚中已有的細胞一起發育、分化，因為這一環境能促成胚胎或胚胎外組織的形成。

這次作者們在“機械子宮”中，將胚胎成纖維細胞作為滋養層細胞，模擬胚胎發育環境，最終成功解決了這一難題。

不過值得注意的是，這種方法仍然有一些限制。

例如，本次研究僅進行到人工合成胚胎發育的第8天，而這只是胚胎發育的早期階段（小鼠的完整妊娠周期是20天）。

此外，這個方法的成功率只有0.5%——

每10000個細胞團中大約僅有50個能夠成功組裝成胚胎，其余的都無法正常發育。而且，實驗也沒有把培養后的胚胎轉移回小鼠子宮中，嘗試發展生命出來。

聽起來，似乎距離合成一個完整器官或胚胎還有點遠，甚至有網友覺得，這項研究沒有什么價值，看起來就是換了個概念：

但其實，這項研究用到的細胞重編程、以及人造子宮等技術，仍然是合成生命的關鍵條件。

距離“合成生命”實現還有多久？

細胞重編程和人造子宮技術，是目前“合成生命”研究最熱門的兩個方向之一。

一方面，細胞重編程讓普通細胞變成“生命之源”成為可能；另一方面，人造子宮則給“體外培育生命”帶來了希望。

首先，細胞重編程技術最近還在不斷取得突破。

生物技術的最重要的功能就是生成“誘導”干細胞的能力，但這一過程會破壞細胞功能，使細胞分化成任何類型細胞。

最新的相關研究是清華團隊最近發現的一種“神奇藥水”，能把小鼠細胞重編程為一種全能干細胞。也就是說，不需要精子和卵子也具備獨立形成生命的潛力。

其次，胚胎體外培養技術也在取得進展。

比如，這篇論文采用的“機械子宮”裝置，就是去年的發明之一（也是這個團隊搞的），并首次成功培養了小鼠胚胎6天時間。

不過，當時這些胚胎還都是從小鼠的受精卵中提取的，今年的實驗是去年的進階版。

當然，離功能齊全、可全程孕育胚胎的人造子宮還有一段距離。

此外值得一提的是，去年5月，ISSCR（國際干細胞研究學會）放寬了人類胚胎培養的 “14天規則”。

即之前只允許研究人員在實驗室里培養人類受精卵14天，但現在研究人可申請進行更長時間的研究。

（不過ISSCR同時表示，禁止將人類胚胎模型植入子宮）

但對于這項研究，許多業內專家仍然有不少顧慮。

倫敦弗朗西斯·克里克研究所的主要負責人James Briscoe博士，就表示了對小鼠實驗轉化為人類實驗的擔心：

我們對人類胚胎的了解少于對小鼠胚胎的了解，而小鼠合成胚胎的低效率表明，將這些發現轉化為人類身上還需要進一步的研究。

現在是考慮用法律和道德框架來規范人類合成胚胎的研究，和更新現行法規的最好時機。

凱斯西儲大學醫學院遺傳學和基因組科學教授Paul J. Tesar也發出感慨：

當科學開始進入到可以從培養皿中的干細胞群一直發展到器官的領域，這意味著有一天可以創造一個活的有機體，那將是一個相當狂野和非凡的時代。

對于這些質疑，通訊作者Jacob Hanna表示，這項研究的最初設想并不是替人類生孩子，而是希望進一步理解器官發育的方式，以及干細胞是如何“明確自己的工作”的。

的確，由于“人造子宮”這一培養皿是透明的，研究人員可以隨時觀察到干細胞是如何在發育中的胚胎中一步步形成各種器官的。

這些數據還能幫助我們進一步研究基因突變如何導致各種發育異常疾病，并找到相應的對策，甚至有望成為移植器官的可靠來源，成為真正的“全自動3D生物打印機”。

團隊介紹

該篇論文來自以色列魏茨曼科學研究所等研究團隊。

通訊作者Jacob Hanna，是魏茨曼科學研究所分子遺傳學系的細胞生物學教授，博士畢業于希伯來大學，博士后畢業于MIT懷特黑德生物醫學研究所。

主要研究方向是探索胚胎干細胞生物學、早期胚胎發育和人類疾病建模等。

值得注意的是，在這項研究發表前不久，他就成立了一家名為Renewal Bio的公司，計劃為培育人類合成胚胎提供相應的醫療技術：

未來即使有人面臨生育問題，我們也能直接從他們的身上提取皮膚細胞，將它們重編程后產生干細胞，最終用這種方法合成胚胎模型，用于產生生殖細胞（精子/卵子）。

有網友感慨，或許今后的器官移植，就可以“私人訂制”了。

論文地址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00981-3

參考鏈接：
[1]https://weibo.com/2028810631/LFIYB3HZL
[2]https://www.washingtonpost.com/science/2022/08/01/synthetic-mouse-embryo/
[3]https://www.isscr.org/policy/guidelines-for-stem-cell-research-and-clinical-translation
[4]https://www.telegraph.co.uk/news/2022/08/03/man-made-embryo-grown-lab-first-time/
[5]https://www.theguardian.com/science/2022/aug/03/scientists-create-worlds-first-synthetic-embryos