“我們沒(méi)有用到精子、卵子和子宮，僅用干細(xì)胞就培育出了合成小鼠的胚胎模型。”
一篇發(fā)表在Cell上的論文，這兩天簡(jiǎn)直火出圈了，起因就是作者Jacob Hanna介紹論文時(shí)說(shuō)的這番話。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，合成的胚胎不僅有一顆跳動(dòng)的心臟，而且還自帶神經(jīng)褶（neural folds）、前腸管（foregut tube）、血島（blood islands）等結(jié)構(gòu)。
作者“語(yǔ)出驚人”后，這篇研究立刻引炸了微博，網(wǎng)友們的反應(yīng)也是一波比一波熱烈。
有不少網(wǎng)友感到恐懼，甚至已經(jīng)有人聯(lián)想到了機(jī)器生產(chǎn)的方法：
也有網(wǎng)友調(diào)侃：這是真·人工智能時(shí)代來(lái)了。
所以，這項(xiàng)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(yuǎn)？
這是一項(xiàng)什么樣的研究？
事實(shí)上，雖然胚胎干細(xì)胞一直被認(rèn)為具有發(fā)育成器官或胚胎的潛力，但這個(gè)過(guò)程科學(xué)家們從來(lái)沒(méi)在體外實(shí)現(xiàn)過(guò)。
甚至僅僅是在體外將胚胎干細(xì)胞合成一個(gè)胚胎模型這個(gè)過(guò)程，也難以實(shí)現(xiàn)。
主要有兩個(gè)難點(diǎn)：
一方面，部分胚胎干細(xì)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(xì)胞的胚胎模型，還需要進(jìn)一步激發(fā)它分化的能力；
另一方面，體外培養(yǎng)環(huán)境復(fù)雜，人造子宮無(wú)法完全模擬出適合細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境。
這項(xiàng)研究的關(guān)鍵突破之一，是成功地讓胚胎干細(xì)胞獨(dú)立產(chǎn)生了完整的原腸胚結(jié)構(gòu)，包括胚胎和胚外組織（胎盤等），甚至從原腸胚進(jìn)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(jié)構(gòu)與體內(nèi)進(jìn)行了對(duì)比，“該有的都有”：
從圖中來(lái)看，雖然和體內(nèi)胚胎發(fā)育的狀態(tài)不完全一樣，但這個(gè)胚胎的復(fù)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(gè)難點(diǎn)的呢？
首先，作者采用一種特殊的方法，將胚胎干細(xì)胞重編程為原始態(tài)（naive）胚胎干細(xì)胞，盡可能激發(fā)細(xì)胞的分化能力，讓它“更有意愿”產(chǎn)生不同的細(xì)胞，構(gòu)成完整的胚胎；
然后，作者采用了一種特殊的“機(jī)械子宮”，在體外模擬胚胎發(fā)育的環(huán)境，盡可能讓原始態(tài)胚胎干細(xì)胞去主動(dòng)形成原腸胚，并形成器官。
形成原腸胚的過(guò)程，是細(xì)胞開(kāi)始分化的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期（囊胚時(shí)期只經(jīng)歷了細(xì)胞分裂），從而形成內(nèi)胚層、中胚層和外胚層細(xì)胞，隨后才開(kāi)始形成器官。
細(xì)胞分化關(guān)鍵期
此前，完整原腸胚結(jié)構(gòu)必須得借助“體內(nèi)的力量”實(shí)現(xiàn)，即導(dǎo)入哺乳動(dòng)物體內(nèi)發(fā)育的胚胎中培養(yǎng)。
具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們會(huì)將體外培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞注射入囊胚（內(nèi)部產(chǎn)生囊胚液、囊胚腔的胚胎）中，并與囊胚中已有的細(xì)胞一起發(fā)育、分化，因?yàn)檫@一環(huán)境能促成胚胎或胚胎外組織的形成。
這次作者們?cè)凇皺C(jī)械子宮”中，將胚胎成纖維細(xì)胞作為滋養(yǎng)層細(xì)胞，模擬胚胎發(fā)育環(huán)境，最終成功解決了這一難題。
不過(guò)值得注意的是，這種方法仍然有一些限制。
例如，本次研究?jī)H進(jìn)行到人工合成胚胎發(fā)育的第8天，而這只是胚胎發(fā)育的早期階段（小鼠的完整妊娠周期是20天）。
此外，這個(gè)方法的成功率只有0.5%——
每10000個(gè)細(xì)胞團(tuán)中大約僅有50個(gè)能夠成功組裝成胚胎，其余的都無(wú)法正常發(fā)育。而且，實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有把培養(yǎng)后的胚胎轉(zhuǎn)移回小鼠子宮中，嘗試發(fā)展生命出來(lái)。
聽(tīng)起來(lái)，似乎距離合成一個(gè)完整器官或胚胎還有點(diǎn)遠(yuǎn)，甚至有網(wǎng)友覺(jué)得，這項(xiàng)研究沒(méi)有什么價(jià)值，看起來(lái)就是換了個(gè)概念：
但其實(shí)，這項(xiàng)研究用到的細(xì)胞重編程、以及人造子宮等技術(shù)，仍然是合成生命的關(guān)鍵條件。
距離“合成生命”實(shí)現(xiàn)還有多久？
細(xì)胞重編程和人造子宮技術(shù)，是目前“合成生命”研究最熱門的兩個(gè)方向之一。
一方面，細(xì)胞重編程讓普通細(xì)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(lái)了希望。
首先，細(xì)胞重編程技術(shù)最近還在不斷取得突破。
生物技術(shù)的最重要的功能就是生成“誘導(dǎo)”干細(xì)胞的能力，但這一過(guò)程會(huì)破壞細(xì)胞功能，使細(xì)胞分化成任何類型細(xì)胞。
最新的相關(guān)研究是清華團(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)的一種“神奇藥水”，能把小鼠細(xì)胞重編程為一種全能干細(xì)胞。也就是說(shuō)，不需要精子和卵子也具備獨(dú)立形成生命的潛力。
其次，胚胎體外培養(yǎng)技術(shù)也在取得進(jìn)展。
比如，這篇論文采用的“機(jī)械子宮”裝置，就是去年的發(fā)明之一（也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)搞的），并首次成功培養(yǎng)了小鼠胚胎6天時(shí)間。
不過(guò)，當(dāng)時(shí)這些胚胎還都是從小鼠的受精卵中提取的，今年的實(shí)驗(yàn)是去年的進(jìn)階版。
當(dāng)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(guó)際干細(xì)胞研究學(xué)會(huì)）放寬了人類胚胎培養(yǎng)的 “14天規(guī)則”。
即之前只允許研究人員在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)人類受精卵14天，但現(xiàn)在研究人可申請(qǐng)進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的研究。
（不過(guò)ISSCR同時(shí)表示，禁止將人類胚胎模型植入子宮）
但對(duì)于這項(xiàng)研究，許多業(yè)內(nèi)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(fù)責(zé)人James Briscoe博士，就表示了對(duì)小鼠實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為人類實(shí)驗(yàn)的擔(dān)心：
我們對(duì)人類胚胎的了解少于對(duì)小鼠胚胎的了解，而小鼠合成胚胎的低效率表明，將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為人類身上還需要進(jìn)一步的研究。
現(xiàn)在是考慮用法律和道德框架來(lái)規(guī)范人類合成胚胎的研究，和更新現(xiàn)行法規(guī)的最好時(shí)機(jī)。
凱斯西儲(chǔ)大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)和基因組科學(xué)教授Paul J. Tesar也發(fā)出感慨：
當(dāng)科學(xué)開(kāi)始進(jìn)入到可以從培養(yǎng)皿中的干細(xì)胞群一直發(fā)展到器官的領(lǐng)域，這意味著有一天可以創(chuàng)造一個(gè)活的有機(jī)體，那將是一個(gè)相當(dāng)狂野和非凡的時(shí)代。
對(duì)于這些質(zhì)疑，通訊作者Jacob Hanna表示，這項(xiàng)研究的最初設(shè)想并不是替人類生孩子，而是希望進(jìn)一步理解器官發(fā)育的方式，以及干細(xì)胞是如何“明確自己的工作”的。
的確，由于“人造子宮”這一培養(yǎng)皿是透明的，研究人員可以隨時(shí)觀察到干細(xì)胞是如何在發(fā)育中的胚胎中一步步形成各種器官的。
這些數(shù)據(jù)還能幫助我們進(jìn)一步研究基因突變?nèi)绾螌?dǎo)致各種發(fā)育異常疾病，并找到相應(yīng)的對(duì)策，甚至有望成為移植器官的可靠來(lái)源，成為真正的“全自動(dòng)3D生物打印機(jī)”。
團(tuán)隊(duì)介紹
該篇論文來(lái)自以色列魏茨曼科學(xué)研究所等研究團(tuán)隊(duì)。
通訊作者Jacob Hanna，是魏茨曼科學(xué)研究所分子遺傳學(xué)系的細(xì)胞生物學(xué)教授，博士畢業(yè)于希伯來(lái)大學(xué)，博士后畢業(yè)于MIT懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所。
主要研究方向是探索胚胎干細(xì)胞生物學(xué)、早期胚胎發(fā)育和人類疾病建模等。
值得注意的是，在這項(xiàng)研究發(fā)表前不久，他就成立了一家名為Renewal Bio的公司，計(jì)劃為培育人類合成胚胎提供相應(yīng)的醫(yī)療技術(shù)：
未來(lái)即使有人面臨生育問(wèn)題，我們也能直接從他們的身上提取皮膚細(xì)胞，將它們重編程后產(chǎn)生干細(xì)胞，最終用這種方法合成胚胎模型，用于產(chǎn)生生殖細(xì)胞（精子/卵子）。
有網(wǎng)友感慨，或許今后的器官移植，就可以“私人訂制”了。
