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体外胚胎研究展望

Sep 07, 2021 No Comments

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一个在实验室中生长了12天的人类胚胎,洋红色的是将形成胚胎本身的细胞。


研究人员现在被允许在实验室中培育人类胚胎超过 14 天。那么他们需要了解些什么呢?

这是Ali Brivanlou实验室进行的一系列实验的第13天,他面临着一项艰巨的任务。他的发育生物学家团队已经解冻了数十个人类胚胎,将它们放入单独的培养皿中,并观察它们在发育的最初阶段生长——这是全世界只有少数研究人员见过的。但他知道,一切都该结束了。

胚胎很快就会违反14天规则,这是一项国际共识,即人类胚胎在实验室中培养和生长,不得超过受精后14 天。第14天大致是原条出现的时间,这种结构标志着胚胎建立体轴的节点,并开始区分头部和尾部以及两侧。

Brivanlou 回忆起2015年在他位于纽约市洛克菲勒大学(Rockefeller University)的实验室进行的研究时指出,这是他一生中必须做出的最艰难的决定之一,但现在是停止这个实验的时候了。在第13天,研究小组从培养皿底部剥下胚胎并将其冷冻——从而抑制了进一步的发育。他们并不知道在那之后会发生什么。

现在,Brivanlou和其他发育生物学家有机会找出答案。

5月,国际干细胞研究学会 (International Society for Stem Cell Research, ISSCR) 发布了新指南,放宽了14天的规定,消除了硬障碍。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,但科学正在迅速发展。放宽的规则允许实验室团体在合法国家向监管机构申请在14天后继续研究的许可。这样的研究可以揭示在胚胎植入子宫后,大约在受精一周后,人类发育过程中会发生什么。它会经历一个名为原肠胚形成的阶段,大约在第 14天到第22天之间,此时身体的主要模式出现,并为器官生成奠定基础。

在这些后期阶段打开一扇窗户将使科学家们更好地了解近三分之一的流产和许多被认为是在这些发育阶段发生的先天性先天缺陷。此外,这些阶段为细胞如何分化为组织和器官提供了线索,这可以促进再生医学。

大多数研究人员预计Brivanlou的团队和少数其他人将立即推动在实验室中培育人类胚胎至更长时间。少数能够做到这一点的团体正在激烈竞争。在其他地方,为了推进此类研究,必须修改法律(参见图“打破限制”)。例如,昆明理工大学胚胎学家李天庆(音译)表示,中国一些研究人员正在讨论是否能做出一些改变,目前是按照14天的限制。

因此,研究人员预计目前还不会出现大量新的14天后研究——他们也不相信这样的实验是合理的。伦敦弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的发育生物学家Naomi Moris表示, 对使用人类胚胎作为研究系统本身持谨慎态度。

作为规避伦理风险的一种方式,研究人员在过去5年中开发了一系列人类胚胎模型,其中大部分是由干细胞混合物形成的。这些模型模拟了早期发育的多个简短的阶段,并且可以在没有接受体外受精(in vitro fertilization, IVF)治疗的患者捐赠的、稀缺且符合伦理道德的人类胚胎的情况下开展实验。到目前为止,14 天规则不适用于这些胚胎模型。但是,随着它们变得更加复杂,有可能形成可识别的结构,甚至器官,从而进入伦理灰色地带。

无论是使用模型还是真实的胚胎,科学家们都说他们有很多东西要学。维也纳奥地利科学院分子生物技术研究所(Austrian Academy of Science’s Institute of Molecular Biotechnology)的干细胞生物学家和胚胎学家Nicolas Rivron认为,胚胎是伟大的大师,它们教会我们关于胚胎发育以及流产、先天性缺陷的一切。

 

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图.打破限制。目前,胚胎体外研究只能限制在14天内——发育一周后,胚胎会着床,植入到子宫壁上。随着这一限制的打破,研究人员可以研究接下来发生的事情。

 

 

挑战极限

14天规则于1979年首次提出,当时恰逢IVF技术出现,人类胚胎首次出现在体外——尽管当时它们能存活的最长时间只有几天。到2006年,当ISSCR发布第一套人类胚胎干细胞(embryonic stem cells)指南时,14天规则在研究界成为了金科玉律。

该指南已被世界各地的研究人员和资助者广泛采用。在包括德国和奥地利在内的几个国家,对人类胚胎进行任何研究都是非法的,而许多其他国家(例如英国、中国、日本、澳大利亚和加拿大)则根据法律规定了14天的期限。在包括美国和以色列在内的一些地方,有指导方针禁止或限制胚胎研究,但法律没有相关规定,而且这类研究在美国无法得到联邦政府的资助。

ISSCR指南的上一次更新是在2016年发布的,就在两个研究小组发表突破性成果之前。

2013年,英国剑桥大学(University of Cambridge)的Magdalena Zernicka-Goetz实验室开始探索培养超过7天的人类胚胎。该小组想了解在囊胚或“细胞球”阶段之后会发生什么。她的团队精心设计了正确的激素和生长因子配方。2016年,她的团队和Brivanlou团队发表文章,指出他们已经培育出人类胚胎,并到了发育的第12-13天。

Zernicka-Goetz表示,我们正在做出的发现,例如胚胎中大脑是怎么发育的,非常重要。她现在在剑桥大学和帕萨迪纳加州理工学院(California Institute of Technology)都有实验室。Zernicka-Goetz对第二周、第三周和第四周的发育很着迷,这个阶段主要器官的祖细胞已经开始发育,但他们用超声波看不到。

一个问题是胚胎生长过程中基因如何表达。在迄今为止最大的人类胚胎研究之一中,Zernicka-Goetz的小组分析了来自16个在实验室发育的胚胎的4,820个单细胞,从胚胎通常植入子宫的阶段(第5天)到原肠胚形成准备阶段(第11天)。单细胞RNA测序揭示了当胚胎细胞从全能性转变为多能性时,哪些基因会关闭,哪些会开启,此时它们仍然可以成为体内的任何细胞,这是一种更加分化的状态 。

尽管这些发育信号在小鼠中是已知的,但这项研究是第一个揭示支持人类发育的分子的研究之一。

在其他只能用培养的人类胚胎进行的实验中,Brivanlou 和 Zernicka-Goetz等人用非整倍体细胞追踪人类胚胎的命运。这些是染色体数量异常的细胞,这种情况被认为会导致多达一半的早期流产。

试管婴儿诊所通常只测试少数胚胎细胞来分析其遗传健康状况。但实验表明,这可能具有误导性。Zernicka-Goetz的小组发现,被诊断出患有某些类型的非整倍性的胚胎在实验室中可以继续正常发育。Brivanlou的小组分析了人类胚胎从第3天到第14天的基因表达,发现染色体数量异常的细胞被清除——可能是通过发育成支持组织或通过细胞死亡被淘汰。这两项研究都表明,通常对IVF胚胎进行的非整倍体测试可能会导致许多胚胎被错误地视为“不健康”。

Brivanlou指出,研究人类胚胎对于获得这些见解至关重要。除了观察它的发育,我们无法学到这一点。他正在计划实验——其中一些可能会持续到第14天之后——试图找出包含一些非整倍体细胞的胚胎究竟是如何调整的。

 

突破14天

研究动物胚胎的研究人员已经将它们培养到超过14 天的发育期,这可能为人类胚胎培养的类似进展铺平道路。3 月,以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的Jacob Hanna小组将实验室培养小鼠胚胎的时间从第5.5天延长至第11天(大致相当于人类胚胎的第13至30天)。尽管其他研究人员认为这个过程非常困难,但胚胎在器官发育过程中非常顺利。

Brivanlou和Zernicka-Goetz都计划进一步延长人类胚胎培养的时间,在人体胚胎中重复Hanna团队在小鼠胚胎中的研究。 Brivanlou想要找出将干细胞转化为第一个脑细胞的基因程序,还想揭示心脏四腔跳动的分子指令。这两个事件都发生在第14天之后,揭示其他的调控机制是了解神经发育障碍和常见先天性心脏缺陷的关键。

Brivanlou等人表示,在未来,研究人员将在技术上能够在实验室中观察人类胚胎植入子宫组织的过程。他的团队正在向他所在大学的监管委员会申请将他们对人类胚胎的研究延长至第21 天。在这额外的一周内,整个身体的发育方向都已确定,包括将成为面部、脊髓、大脑、骨骼、心脏、血液和肌肉的结构。Brivanlou不知道他们是否可以将人类胚胎培养至超过14天,但是一旦延长到21天,后续想延长必须一点点地来。

 

模型胚胎

研究人员已经有了一些观察哺乳动物原肠胚形成过程的方法,不需要使用真正的胚胎,而是通过基于干细胞的3D混合物构建胚胎模型。

在过去的5年里,研究人员在实验室中制作了各种胚胎模型,可以用来了解超过14天的阶段。在大多数情况下,这些胚胎模型不受14天规则或任何特殊审查的约束。

2017年,密歇根大学(University of Michigan)安娜堡分校的生物医学工程师付建平(音译)等人简单地将胚胎干细胞放入3D培养物中,制成了第一个人类胚胎模型。该模型中,细胞自组织形成了羊膜囊和最初的原条结构。付建平指出,这一发现在该领域引起了极大的轰动,人类胚胎干细胞中存在这种可能性——这太棒了。

类似的模型不断激增,现在可以模拟小鼠和人类最早胚胎阶段——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,付建平等人创造了神经元类器官,它模拟了脊髓和大脑前体的形成,付建平认为这将帮助研究人员培养可以植入患者体内的功能性神经元。细胞混合物在外观和行为上通常都像同一阶段的胚胎,但它们是否重现了正常发育的分子和细胞事件,在这一点上并不明确。

付建平等人承认,随着人类胚胎模型形成更复杂的结构并进一步推进发育时间表,会进一步引发新的伦理问题。例如,他们的神经元可能开始放电或他们的心脏细胞开始跳动。或者这些模型可以获得发育到更晚期阶段的能力。大多数模型缺乏形成完整胚胎所需的全部生命支持组织,但在过去几年中,少数实验室已经构建了囊胚阶段的小鼠和人类模型,名为“胚泡”。这些包含这些支持组织的前体,理论上可以形成整个生物体。

ISSCR也关注了该领域,其指导方针指出,包含这些支持组织的模型必须受到特殊监督,并在满足科学目标所需的最短时间内生长。ISSCR指导委员会主席、弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的干细胞生物学家 Robin Lovell-Badge指出,随着它们的发展,这些模型将需要重新考虑伦理问题。显然,这个领域必须被监视。

随着对真实胚胎和模型胚胎的研究不断推进,科学家们渴望知道这两者到底有多相似。找出模型在分子细节上有何不同,以及它们的细胞如何表现,是研究人员希望在真实胚胎中超过 14天的主要原因。德国德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics)的发育生物学家 Jesse Veenvliet指出,我们可以从模型中学到很多东西,但重要的是要知道哪里出了问题。

2020年,Moris等人对小鼠胚胎和小鼠原肠胚进行了并排的基因表达比较,并发现了建立身体计划的定时信号波之间的惊人相似之处。她表示,也应该对人类原肠胚进行这种精确的基准测试,这需要将人类胚胎培养到第21天左右。Rivron设想了人类发育每个阶段的分子图谱。

一旦完成足够的基准测试,研究人员就可以减少使用的人类胚胎的数量,只有在有充分理由时才会需要使用真正的人类胚胎。

 

新时限

但是体外胚胎研究的发育时间限制应该是多长呢?批评者表示,ISSCR放宽14天规则而不给研究人员一个新的停止点是不负责任的——它为胚胎研究开了绿灯。

付建平是ISSCR委员会的成员,该委员会经过18个月内的100多次Zoom会议后,制定了新指南。科学进步如此之快,科学团体很难再画一个停止标志。相反,只要有恰当的审查过程,指导方针就为进行研究敞开了大门。

Brivanlou同意这个决定。他知道突破14 天有很大的好处,他指着异常染色体的工作表示,它实际上可能会挽救下一代的生命。他和Lovell-Badge认为,不允许一些14天后的研究是不道德的,因为它可以揭示器官细胞类型是如何产生的,以及流产和先天缺陷是如何发生的。

哪些实验和模型应该和14天后胚胎研究一样被严格监控,这也变得越来越模糊。ISSCR指南制定了明确的伦理划分,只将包含支持组织的模型——理论上有可能完全发育——与14 天后胚胎属于同一类别。(该指南还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或人类子宫中。)

一些研究人员对取消14日限度持保守态度。例如,Moris认为,公众没有真正的机会权衡 14 天后实验的后果。

生物伦理学家Josephine Johnston更进一步,他认为放弃14天规则,而不提出另一条规则是错误的。纽约加里森黑斯廷斯中心(Hastings Center)的生物伦理学家Johnston表示,科学界理解社会重视人类胚胎,并尊重这一点。取消限制“有可能真正动摇公众的信任”。此外,研究人员需要更好地解释研究超过14天的胚胎“实际上会如何帮助人类”。她还表示,研究人员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,但如果不设置一些限制条件,那就太容易出现问题了。


原文检索:
Kendall Powell. (2021) What’s next for lab-grown human embryos? Nature, 597: 22-24. 
张洁/编译

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