越来越接近真实的人类胚胎模型和由此引发的伦理问题

世界各地的实验室正在努力培育人类胚胎模型，以研究发育、生育和治疗方法。他们正在进入一个未知的伦理领域。

　　

在他的显微镜下，达拉斯德克萨斯大学西南医学中心的干细胞生物学家 Jun Wu可以看到几个微小的球体，每个都不到1毫米宽。它们看起来就像人类胚胎:一团深色的细胞被一个空腔包围，然后是另一圈细胞。但是，Jun Wu知道，这些球体并不是人类胚胎，它们是实验室培养的胚胎模型，远非完美的人类胚胎复制品。一些细胞群没有出现，还有一些不属于这里的细胞。最终，这些模型会突然而混乱地消亡。

如果把胚胎模型比作是房子，那么在“房子”的正面后面有凹凸不平的地板，扭曲的镜子和壁橱里的鬼魂。尽管如此，数十家实验室仍在竞相培育出与人类胚胎最相似的胚胎。有多少模型就有多少团队在构建，每个模型都概括了胚胎发育的略微不同的方面——希望能从中发现怀孕后最初几周的新生物学。

维也纳奥地利科学院分子生物技术研究所的发育生物学家Nicolas Rivron说，这个高风险、戏剧性的时期“笼罩在神秘之中”。在子宫里这些胚胎太小，无法用超声波观察到。在实验室里，对怀孕14天后体外的真正胚胎进行研究存在技术上、伦理上和法律上的限制。

来自胚胎模型的见解可以帮助解释为什么大约三分之一的天然胚胎不能活过最初几周。这可能有助于解决不孕症，提高体外受精的成功率，甚至预防发育早期出现的疾病。模型也可以用来测试胚胎药物的安全性。

但随着模型变得越来越复杂，并达到象征性的里程碑，比如第一次心跳，它们引发了棘手的伦理问题。伦理学家、监管机构和法律专家都在争先恐后地跟上研究的步伐。

与此同时，这个领域充满了能量。今年2月，研究人员组织了世界上第一次专门讨论胚胎模型的科学会议。一些科学家已经成立了衍生公司，利用模型开发治疗分子、测试药物和改善生育治疗。胚胎模型“现在几乎是最热门的话题”，Insoo Hyun说，他是麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的生物伦理顾问。

史诗般的表现

卵子和精子的相遇触发了一个快速而精确的细胞分裂和分化过程。在第一周，大约100个细胞形成一个被称为囊胚的空心圆圈。它由三个不同的组组成，最终发育成胚胎，卵黄囊和胎盘。然后胚胎将自己植入子宫。从大约两周开始，胚胎会经历一个被称为原肠胚形成的过程，在这个过程中，细胞会变成三种细胞类型之一，并组织成层。这些层进一步分化成肺、肠、肌肉和其他器官，这一过程被称为器官发生。

“胚胎从来不是静止的，”伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家Naomi Moris说。“它经历了这些巨大的戏剧性变化。”

研究人员试图在培养皿中重现这一史诗般的表演。这些研究——通常先在小鼠身上进行，然后在人类身上进行——通常捕捉到了这一过程的快照。

2014年，研究人员将人类胚胎干细胞诱导成三个不同的环——形成胚胎和胎盘的细胞前体。后来的模型以羊膜腔和卵黄囊为特征，有些是3D的。到2020年，一些研究人员已经重现了原肠胚形成的一个方面，即胚胎拉长成管状结构。

但是，按照今天的标准，许多早期的研究都不会被认为是整个胚胎的模型，Jun Wu说。

完整的模型

一个重要的里程碑出现在2021年，当时Wu的团队和另一个团队发表了类似于人类囊胚的模型——通常是胚胎在体外受精过程中转移到子宫的阶段。这些模型被称为囊胚，包含形成胚胎的细胞和那些将支持胚胎的细胞，称为胚胎外细胞，使它们成为第一个“完整”或“完整”的人类胚胎模型。

“它们并不完美，”英国剑桥MRC分子生物学实验室的干细胞和发育生物学家Marta Shahbazi说。但是“他们很不错”。

一些研究小组试图捕捉更早期的发育阶段，使用有能力转变为胚胎发育所需的每种细胞类型的全能细胞(totipotent ，而大多数模型使用能力更有限的细胞)。2022年，中国深圳华大基因生物技术公司的干细胞生物学家Miguel Esteban和他的同事们开发了一个模型，类似于受精后通常三天形成的八个细胞胚胎。今年6月，北京大学的干细胞生物学家杜鹏构建了类似的类囊胚。

制定规则

自从第一个胚胎模型出现以来，伦理学家一直在努力解决它们所带来的困境。国际干细胞研究学会(ISSCR)于2021年制定了指南;许多国家正在考虑制定自己的指导方针和立法。

澳大利亚的规定是世界上最严格的。2020年，在墨尔本莫纳什大学和阿德莱德大学领导一个团队的生物化学家Jose Polo通知澳大利亚监督胚胎研究的监管机构——国家卫生和医学研究委员会——他已经培养出了类囊胚（blastoids）后，被要求暂停这项工作。监管机构希望评估类囊胚是否符合现行法律规定的胚胎标准。现行法律将胚胎定义为有可能发育到一个阶段的生物实体（biological entities），大约两周后一种称为原始条（primitive streak）的结构出现，该实体朝着有身体计划的方向发展。大约5个月后，答案回来了：它们确实符合胚胎标准，监管机构说，因为它们理论上有可能形成原始条纹。因此，适用于真实胚胎研究的限制同样适用于类囊胚。

这是一个毁灭性的挫折，Polo说。他的团队必须获得一项特殊的胚胎许可证，禁止该团队培养类囊胚来研究原肠胚形成和器官发生的后期阶段。“我认为他们犯了一个错误，”Polo谈到该机构的裁决时说。这些规定还限制了可以构建的类囊胚的数量，并要求更严格地征得捐赠细胞的同意才能用于类囊胚。

每个国家都在规划自己的道路。一些对比点是各国如何定义胚胎，该定义是否延伸到胚胎模型，以及规则对研究的宽容程度。墨尔本默多克儿童研究所(Murdoch Children 's research Institute)的发育生物学家和生物伦理学家Megan Munsie说，监管机构经常用针对真实人类胚胎研究设计的规则和规范来指导胚胎模型。

西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学(University Pompeu Fabra)的发育生物学家Alfonso Martinez Arias说，这些讨论往往超越了研究领域，到生殖健康、堕胎、妇女权利和再生医学等其他领域寻找相关性。“我们的回音室非常大，”7月份在德国汉堡举行的ISSCR年度会议上，他对满屋子的同行们说。

由于胚胎模型在许多方面与实际结构不同，大多数国家对两者的对待都是不同的。荷兰莱顿大学医学中心的生物伦理学家Nienke de Graeff说，例如在西班牙，胚胎的定义是基于受精的，这就排除了胚胎模型。

一些定义侧重于胚胎形成或变成其他东西的潜力。ISSCR说，基于它们的潜力，胚胎模型不能被认为是胚胎，大多数国家也持类似观点。

一些人提议修改有关真实胚胎的法规，以涵盖某些类型的胚胎模型。Nienke说，在荷兰，一个科学咨询机构提出了一项禁令，禁止这些模型的生长超过28天，相当于真正的胚胎。法国也在考虑同样的限制。英国的研究人员在7月份做了一些不同的事情：他们发布了胚胎模型的自愿指导方针，没有对胚胎的培养时间设定固定的限制。这些指导方针最终可能导致有约束力的立法的通过——就像几十年前英国关于胚胎研究的类似自愿指导方针一样。不过，英国的指导方针和2021年的ISSCR指导方针确实禁止将人类胚胎模型移植到子宫中，包括瑞典和日本在内的其他几个国家也在考虑引入类似的限制。

科学加速

与此同时，科学的发展速度如此之快，以至于监管机构有很多事情要跟上。2024年6月，ISSCR宣布成立了一个工作组，根据2021年以来发布的模型，评估科学状况并审查早期的指南。

2023年，大约有六个团队描述了重现胚胎植入后发育的模型。有两个模型特别受到媒体的广泛报道——一个是由帕萨迪纳加州理工学院的发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz提出的，另一个是由以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的干细胞生物学家Jacob Hanna提出的。它们被描述为完整的植入后模型（ complete post-implantation models），但这个头衔一直备受争议。

“这些都不是完整的模型，”Rivron说。Zernicka-Goetz小组的研究没有像滋养层细胞那样的为胚胎提供营养的细胞。研究人员说，尽管Hanna的研究确实含有一层类似滋养层的细胞，但它的组织结构不如真正的滋养层细胞。

“这几乎就像一场选美比赛——看谁的‘模特’更漂亮，”密歇根大学安娜堡分校的生物工程师 Jianping Fu说。“有很多令人兴奋的事情，但与此同时，这个领域现在也有一些炒作。”一些研究人员质疑追求一个完整模型的价值。这是一种“非常微妙的平衡行为”，Hyun说。研究人员希望模型与胚胎足够接近，以便提供对人类发展的真正见解，但又不能太接近，以至于他们无法分辨两者之间的区别，从而有可能限制他们的工作。他说:“你想滑得尽可能靠近边缘，不要摔倒。”

一些研究人员试图避免这种伦理困境，故意对他们的胚胎模型进行改变，使模型不可能产生有机体。例如，Hanna已经开始研究与大脑和心脏发育有关的基因被灭活的模型。他从与所在社区的基督教和犹太教领袖的讨论中推断，缺乏大脑或心脏组织的胚胎模型不被视为人的一种形式。Fu述了一种模型，他说这种模型减轻了一些伦理负担，因为尽管它达到了原肠胚形成，但它没有首先形成原始条。

研究人员说，这样的模型可能很有见地，也很有用。其中一份于去年12月首次发表，它令人兴奋，因为它很好地反映了真实胚胎的某些方面，以及对临床的直接影响：宾夕法尼亚州匹兹堡大学的干细胞生物工程师Mo Ebrahimkhani和他的同事在一个培养皿上培养3D模型时，他们注意到微小的血岛的出现。这些岛拥有血细胞的第一批祖细胞，包括被称为巨噬细胞的免疫细胞、血小板生成细胞和含有血红蛋白的细胞。正如Ebrahimkhani在未发表的研究中发现的那样，这些模型可以用来生产大量的血液干细胞，这对癌症或遗传疾病患者的移植很有用。

器官构建

在大约三周的时候，胚胎开始了重要的器官生长过程，这个过程持续一个多月。几个研究小组已经把注意力集中在这种器官发生的各个方面，培养出只类似于胚胎部分的模型——这可能比模拟整个结构有更少的伦理约束。

其中一个模型概括了身体形成被称为体节的重复片段的节律过程，体节产生了椎骨。今年早些时候，傅的团队描述了一个神经管模型，它是中枢神经系统的前身，里面有大量的细胞，包括一些神经元的前体。但即便是这些模式也并非没有争议：那些含有神经细胞的细胞引发了关于感知能力产生的伦理问题，Hyun说。

类胚胎模型的下一个前沿是将它们放置在更接近子宫的环境中，并研究胚胎如何与子宫内膜相互作用。研究人员已经证明，放置在构成子宫内膜的细胞上的类囊胚可以挖洞并正确融合。胚胎模型与母体组织共培养可以帮助模型像自然胚胎一样发育。

一些科学家甚至进一步使用其他动物的细胞，包括非人类灵长类动物的细胞。例如，在一篇未发表的论文中，上海中科院神经科学研究所的发育生物学家刘震在培养皿中培养了足够长时间的猴子囊胚，达到了早期器官发生的阶段。

2023年，刘将囊胚移植到8只猴子身上，其中3只猴子在怀孕初期出现了激素激增。胚泡形成妊娠囊，但随后停止发育。牛和小鼠的囊胚转移到它们各自的物种中也不能存活很长时间。

目前，除了人类以外，还没有禁止将非人类胚胎模型移植到活体动物身上的规定，但Hyun教授担心，如果这种移植导致活产，将会引起对研究的强烈反对，并对使用人类胚胎模型的研究产生不利影响。他说，从猴子到人类的智力飞跃很容易实现。“实际上，你不必做人体实验，就会产生相当大的担忧。”

什么时候是胚胎?

大多数研究人员都认为，今天的人类胚胎模型离真实的胚胎还差得很远。加州大学洛杉矶分校的发育和干细胞生物学家、ISSCR胚胎模型工作组的联合主席Amander Clark说，正在制定指导方针的研究人员面临的关键挑战是确定“一个胚胎模型何时被认为等同于一个胚胎”。

考虑到伦理规范禁止将胚胎模型移植到子宫中，以观察它们是否能产生一个有机体，研究人员正在提出其他测试它们的潜力的方法。一些研究小组正在开发工具，以便更好地将胚胎模型与真实胚胎进行比较，例如通过观察细胞的RNA谱。但是即使是这些基因表达练习也会遗漏关键信息，比如胚胎中细胞的位置，Hanna说。

斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的干细胞和发育生物学家Fredrik Lanner说，评估和改进模型对科学和伦理学都很重要。他说，如果模型不好，那么它们就没有用处。“现在对我们来说，不把时间浪费在糟糕的模型上真的很关键”。

随着该领域开始对早期胚胎发育提供真正的见解，制定标准尤为重要。Moris说，已经有了一些惊喜。最值得注意的是细胞转换角色的能力——它们的可塑性——以及它们自我组织的能力，通常不需要胚胎外组织的帮助。

一些模型甚至揭示了新的现象。研究人员早就知道，在一些哺乳动物中，在夏天受精的胚胎会“冬眠”，然后重新开始发育，这样幼崽就会在春天出生。在未发表的工作中，Rivron和他的同事们已经能够诱导人类囊胚进入这种暂停发育的状态。但他说，到目前为止，胚胎模型还没有带来具有社会价值的科学发现，也不清楚哪些模型能帮助研究人员实现这一目标。Wu说:“过去有很多争论，尤其是戏剧性的争论”，围绕着“我的模式比你的好”这条线。现实情况是，每种模式都不完美，但都有用。这取决于问题是什么。