Nature 背靠背！不需卵子和精子就可以合成人類胚胎

一直以來，研究人類胚胎對於理解人類發育的早期階段意義重大，但目前這類研究受限於倫理道德要求，大多是在接受體外受精的個體自願捐贈的剩餘胚胎中進行的，人類對於胚胎發育機制的了解仍有很多空白和未知。

2023 年 6 月 27 日，兩項背靠背發佈在頂級學術期刊Nature上的研究宣佈，科學家已成功使用幹細胞創造出全球首個人工合成的人類胚胎模型，類似於人類發育最早階段的胚胎。

無需精子和卵子，科學家用幹細胞合成全球首個人工「人類胚胎模型」

Nature發佈的一項題為A model of the post-implantation human embryo derived from pluripotent stem cell的研究介紹，來自劍橋大學和加州理工學院的Magdalena Zernicka-Goetz教授及其研究團隊通過編輯胚胎幹細胞建立了一個「人類胚胎模型」，該模型由胚胎和胚胎外組織組成，模擬了植入子宮後人類發育早期的各個方面^[1]。

圖片來源：參考文獻 [1]

Zernicka-Goetz 教授及其團隊發明了一種產生幹細胞衍生模型的方法，通過集合兩種類型的胚胎外組織與胚胎幹細胞產生胚胎樣結構，模擬了植入子宮後人類發育早期的各個方面。

該胚胎樣結構包含一個上胚層樣結構域，是一種可生成胚胎中所有組織的細胞層，可產生胚胎組織，如一種可在胚胎周圍形成囊的膜。作者還發現了生殖細胞祖細胞，這些細胞也可繼續產生生殖細胞。

圖片來源：參考文獻 [1]

早在 6 月 14 日，在波士頓舉辦的國際幹細胞研究學會年會上，Zernicka-Goetz 教授就已公佈了這項研究進展。她介紹道，該模型包含胚胎和胚胎外組織（可繼續產生圍繞胚胎結構的組織），已培養到「相當於自然胚胎發育 14 天以上的階段」， 沒有心臟或大腦，但具備繼續形成胎盤、卵黃囊和胚胎本身的前體細胞。

實驗室幹細胞模型代表人類在胚胎植入後發育研究中取得了新進展，使研究人員有機會了解控制人類胚胎發生早期的生物學過程，有助於在罕見遺傳疾病和流產研究中取得更多突破。然而，該模型不能植入，也不具備向胎兒階段進一步發育的能力。

人類多能幹細胞被觸發組成三維結構，產生人類受精 9-14 天后的胚胎結構

另一項發佈在Nature，題為Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages的研究介紹，來自耶魯大學的Berna Sozen團隊發明的實驗技術平臺可使人類多能幹細胞被觸發自我組織成三維結構，在沒有胎盤細胞類型的情況下，模擬植入子宮後發生的胚胎發育事件，產生了類似人類受精 9-14 天后胚胎的結構

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圖片來源：參考文獻 [2]

該技術平臺可以使人類多能幹細胞在實驗室中進行有效地「自我組裝」，以 3D 方式聚集，在一系列培養基中懸浮數天，在受精 9-14 天后形成類似於人類胚胎的形態。

該平臺還可捕捉在胚胎植入後早期發育的過程中早期胚胎外胚層（胚胎中所有組織產生的細胞層）和胚外內胚層（產生卵黃囊的細胞層）之間的組織相互作用關係。研究中還囊括了人類原腸胚周圍形成的關鍵特徵，包括表成細胞和低成細胞譜系的初始規範以及其他的表成細胞模式。

圖片來源：參考文獻 [2]

人類胚胎外體在沒有滋養外胚層細胞類型（參與胎盤發育的細胞）的情況下實現了這種轉變，代表未來或可模擬胚胎外內胚層和胚胎譜系之間的複雜相互作用，但滋養外胚層的缺失意味著這些結構無法向胎兒階段進一步發展。

作者認為，該實驗平臺為解決人類發育的未探索階段提供了新見解，模擬胚胎早期發育過程的能力可能為生物醫學研究提供途徑，有助於克服與人類胚胎研究相關的倫理問題。

業內學者點評：胚胎樣結構與受精後自然發育的人類胚胎不同，是幾種細胞類型的集合

目前，合成胚胎在全球大多數國家不受法律保護，這意味著無需卵子和精子創造出的胚胎會引發嚴重的倫理和法律問題。對於上述兩項重大突破性研究，業內學者也發表了自己的觀點。

英國雷丁大學幹細胞生物學和再生醫學的副教授Darius Widera點評道：「Sozen 及其同事描述了由人類胚胎幹細胞自組織產生的另一個早期人類胚胎模型。這些人類胚胎樣結構可以幫助我們了解調節人類早期發育的機制，從而更好地了解先天性疾病。與過去兩週發表的幾份預印本中的發現類似，受精後 14 天內產生的結構與人類胚胎相似。然而，需要注意的是，這些自組織結構與受精後自然發育的人類胚胎不同。由於本研究中描述的胚胎樣結構缺乏某些特徵，它們不具備進一步發育的能力。」

人類全能幹細胞和視網膜發育實驗室小組組長、邦德大學克萊姆瓊斯再生醫學中心的Ioannis Jason Limnios博士介紹：「細胞總是通過接觸和分泌信號相互交流，在人類早期發育過程中尤其如此。目前對幹細胞衍生胚胎模型的研究浪潮使科學家能夠在不需要人類胚胎的情況下研究人類發育早期發生的事情。Sozen 的實驗室創造的不是一個真正的胚胎，而是早期胚胎中發現的幾種細胞類型的集合。這些細胞相互交流，以協調一些關鍵性決策，如移動到哪裡、變成什麼樣的細胞、分裂多少等等。這些模型可用於測試不同物質、病毒和毒素對正常發育的影響，分享基因在發育過程中的作用，以及基因功能不正常時會發生什麼。但需要指出的是，目前，這類研究在每個國家都受到了嚴格的倫理和法律監管，並且其最終目的是為了改善人類健康。」

題圖來源：站酷海洛

參考資料：

[1] Weatherbee, B.A.T., Gantner, C.W., Iwamoto-Stohl, L.K. et al. A model of the post-implantation human embryo derived from pluripotent stem cells. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06368-y

[2] Pedroza, M., Gassaloglu, S.I., Dias, N. et al. Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06354-4