实验室人类胚胎模型揭示生命开始的奥秘
时间:2023-07-27 11:53 来源:科学新闻 作者:泉水 点击:次
新近报道的一些在实验室培养皿中生长的细胞团被誉为科学家在实验室中制造的最接近人类胚胎的东西。这些实体是人类胚胎模型——利用干细胞制造的细胞团，模仿胚胎发育某些阶段的特性。这一成果让研究人员有机会观察人类胚胎在第一周左右以后的发育情况，此时胚胎必须植入子宫才能进一步发育。直到现在，胚胎植入后的阶段还无法在实验室培养皿中重现。 2023年6月和7月报道的六项研究描述了多种胚胎模型，这些研究引起了科学界的兴奋与担忧。对于研究这些模型的研究人员来说，假胚胎是深入了解胚胎植入后人类发育“黑箱”的新工具。由于捐赠的人类胚胎供不应求，且实验受到严格限制，胚胎模型提供了替代途径。 6月27日，剑桥大学和加州理工学院的发育与干细胞生物学家马格达莱纳·热尼卡-戈茨（Magdalena Żernicka-Goetz）在一次新闻发布会上讨论了她实验室制作的胚胎模型。热尼卡-戈茨表示，从胚胎模型中获得的启示可能让人们重新认识许多妊娠失败的原因，并带来更好的生育治疗方法。但也有人担心，这些模型——连同用干细胞制造的卵子和精子——可能引发利用模拟胚胎制造婴儿的幽灵。科学家强调，这些胚胎模型不可能植入子宫，繁殖绝非目的。不过，研究也提出了如何规范干细胞制造的胚胎样实体的问题，例如是否允许这些模型生长超过受精后14天的限制。 《科学新闻》采访了科学家和伦理学家，以进一步了解人类胚胎模型。国际干细胞研究学会（ISSCR）主席阿曼德·克拉克（Amander Clark）指出，人类胚胎是卵子和精子受精的产物，而胚胎模型由多能干细胞自我组装而成，不符合胚胎的临床、医学或科学定义。多年来，科学家利用捐赠的人类胚胎或胚胎模型研究最初一周左右的发育，了解了囊胚的形成。但真正的发育发生在第7天至第35天左右，此时胚胎建立所有器官。以色列魏茨曼科学研究所的雅各布·汉纳（Jacob Hanna）说，胚胎从一个细胞球变成了任何人都能认出是“胚胎”的结构。 新报道的胚胎模型模拟了植入后胚胎的结构，但缺少部分细胞类型。克拉克表示，没有一个模型能完全复制真实的胚胎，例如，没有模型能很好地复制产生胎盘的滋养外胚层。该层对植入和信号传导至关重要。 最近关于胚胎模型的讨论始于2023年6月13日热尼卡-戈茨在ISSCR会议上的演讲。英国《卫报》称赞其为制造人造人类胚胎的突破。然而，巴塞罗那庞培法布拉大学的发育生物学家阿方索·马丁内斯-阿里亚斯（Alfonso Martinez Arias）认为，这种描述夸大了成果，该工作只是渐进式进步。 其他胚胎模型是如何制作的？所有研究小组均从人类干细胞开始，通过控制生长条件和添加特定细胞类型，使干细胞组装成类似胚胎的结构。耶鲁大学医学院的贝纳·索曾（Berna Sozen）团队于6月27日在《自然》杂志描述了一种方法，不依赖基因操作，仅利用干细胞的自我组织能力形成两层结构，但缺乏滋养层。中国和密歇根州研究人员在6月16日bioRxiv.org预印本中描述了另一项技术，但同样缺少胎盘前体层。达拉斯UT西南医学中心的吴军（Jun Wu）团队成功诱导干细胞形成跨过原肠胚形成的胚胎样实体，这些“围胃管”模型产生了类似早期神经系统的组织，并包含卵黄囊，但缺乏胎盘组织。 这些胚胎模型有什么重大进展？马丁内斯-阿里亚斯认为，在胚胎模型的“淘金热”中，只有两个是真正的进步：吴军的围胃管模型和汉纳小组的模型。汉纳团队在6月15日bioRxiv.org预印本中描述的胚胎模型拥有卵黄囊和胎盘前体的合理模拟，与发育14天的胚胎“惊人”相似。汉纳说明，其团队先在小鼠胚胎中研究出体外培养方法，再用干细胞组装小鼠模型，最后将技巧应用于人类干细胞。模型自我组装绕过了囊胚阶段，直接达到类似植入后的阶段。 这些胚胎模型能造就婴儿吗？不能。科学家强调，这些模型不能用于繁殖。汉纳说，将晚期胚胎模型放入子宫是非法的，且生物学上不可能植入，因为植入只发生在1-64个细胞阶段。吴军表示，这些模型本质上只是一簇细胞，不能产生任何生命。在法律上，英国禁止胚胎生长超过14天；美国无此类联邦法律，但1995年迪基-威克修正案禁止资助具有“生物潜能”的胚胎研究。ISSCR最新指南建议，对于胚胎模型，可以培养到原始条纹出现。马丁内斯-阿里亚斯表示，科学家的目标是理解细胞如何组装成胚胎和器官，而不是追求完美复制。伦理学家凯蒂·哈森呼吁立即开始与公众讨论胚胎模型的意义和伦理限制。 CITATIONS |
热尼卡-戈茨团队对人类干细胞进行基因工程改造，使其模拟三种细胞类型：滋养层样细胞、卵黄囊样细胞和上胚层样细胞。研究于6月27日发表在《自然》杂志，显示这些细胞球在某些方面与人类胚胎相似。剑桥大学的贝利·韦瑟比（Bailey Weatherbee）指出，模型中的滋养外胚层并不制造典型的蛋白质，但其他部分需要该层才能组装，说明其具备部分功能。
由于缺乏滋养层，研究人员添加蛋白质来固定和支撑模型。中国研究小组于6月28日在bioRxiv.org上报道了类似结果，并发现沙利度胺会改变组织层形成并中断发育。吴军表示，将来可利用这些模型了解环境化学物质对发育的影响。马丁内斯-阿里亚斯等人之前制作的原肠胚模型可模拟第19天的发育，但无卵黄囊。