探秘生命之初：類胚胎的研究革命與倫理探究

在生物醫學的探索中，干細胞研究正照亮生命最神秘的初章。在這一領域中，基于干細胞的類胚胎研究尤為突出，它通過干細胞的自組裝揭開了人胚胎早期發育的神秘面紗。這不僅是對細胞命運和發育生物學的深入洞察，更是對生命本源及其演化歷程的精妙探索。類胚胎研究顛覆了我們對生命早期發育的傳統認識，并為再生醫學和疾病診療帶來了新的機會。本文將引導你步入類胚胎研究的核心，了解干細胞在這一過程中的關鍵作用，并深入分析這一領域所引發的科學革新和倫理討論。

生命之初：從受精卵到器官的神奇發育之旅

受精卵經過多輪卵裂形成桑椹胚，伴隨卵裂球極化和重排，桑椹胚腔化形成一個由滋養外胚層和內細胞團組成的腔囊結構，稱為囊胚。囊胚在著床前經歷兩次譜系分離：首先形成滋養外胚層和內細胞團，然后內細胞團進一步特化為上胚層（epiblast， EPI）和原始內胚層（primitive endoderm， PrE）。胚胎著床后，嚙齒類和靈長類展現不一樣的結構特征：小鼠的EPI和PrE發育為杯狀的卵圓桶結構，而靈長類的EPI和PrE則形成雙層胚盤結構。隨著胚胎往下發育，EPI先后發生極化和經歷腔化并產生羊膜囊結構，其背側的EPI特化為羊膜上皮，而腹側的EPI繼續維持多能性；PrE則進一步發育并往下遷移，最終形成卵黃囊結構。在形成羊膜囊和卵黃囊的同時，滋養外胚層先后特化為細胞滋養層、合胞體滋養層和絨毛外滋養層細胞，并植入母體子宮。羊膜囊和卵黃囊形成期間，先后伴隨胚外中胚層和原始生殖細胞的特化，胚胎發育隨后進入原腸運動階段。體軸的形成和三胚層的特化，為后續的器官發生奠定基礎。神經管和原始心管的形成，標志著胚胎發育步入器官發生階段。

在胚胎的時空發育過程中，呈現的是一個高度有序、復雜而令人嘆為觀止的過程。從受精卵到囊胚、從囊胚到原腸運動，從原腸運動到器官發生，每個階段都涉及精確的信號調控和復雜的譜系互作，并伴隨不同細胞類型的命運決定和遷移重排，最終形成胚胎有序的三維組織結構。然而目前，仍缺乏關于這個階段細胞如何交流以及基因表達在發育階段如何變化的動態信息。

延長培養：胚胎體外延長培養揭秘著床后發育

胚胎學領域近年來取得的突破性成果使得我們對生命發育過程的認知發生了革命性的改變。2014年，研究人員首次成功將小鼠胚胎在體外延長培養至著床后階段[1]，此舉顛覆了關于腔形成的傳統細胞凋亡學說，從而改寫了教科書。隨后，王紅梅和顧奇團隊采用仿生子宮技術成功將小鼠胚胎延長培養至早期器官發生階段，而漢納（J. Hanna）團隊則構建了高效的體外培養平臺，為研究小鼠胚胎發育提供了更適合的生長環境，并實現了將小鼠胚胎體外培養至晚期器官發生階段[2]。在小鼠胚胎體外延長培養的基礎上，2016年，研究人員首次實現了人囊胚在體外培養到第13天的突破。延長培養的胚胎展現出一系列著床后早期發育關鍵事件：上胚層極化、羊膜腔和卵黃囊形成、雙層胚盤產生以及滋養層分化。2019年，湯富酬和喬杰團隊結合人胚胎體外延長培養和單細胞多組學測序技術，首次揭示了人胚胎著床過程中的基因表達調控網絡和DNA甲基化圖譜，深度解析了分子調控機制[3]。

然而，上述二維培養系統存在局限，不同于著床后胚胎的三維生長環境。筆者和季維智團隊克服了這一問題，首次將人囊胚在三維條件下延長培養至原腸前階段[4]，呈現了著床后胚胎更為復雜的三維結構，包括羊膜腔、卵黃囊、雙胚盤、前后軸和基底膜，并第一次在體外觀察到人胚胎原條結構和胚外中胚層的出現。此外，王紅梅、譚韜和季維智團隊分別將食蟹猴胚胎在體外延長培養至25天，并揭示了食蟹猴胚胎原腸運動和早期器官發生的特征。胚胎體外延長培養系統的建立，為揭示生命的奧秘翻開了嶄新的一頁。

類胚胎：干細胞和胚胎發育研究的有機結合

真實胚胎的形態特征和組學數據，為研究人胚胎發育提供了參考標準。但對于深入研究分子機制、追蹤發育動態、揭示發育原理、解析疾病機理、提供藥物篩選平臺和探尋疾病診療策略來說，使用胚胎體外延長培養的方式研究人早期發育仍面臨如下局限：①資源稀缺，用于體外研究的人胚胎來自患者捐贈的剩余胚胎，其數量非常有限。②異質性，因為年齡和其他身體條件的差異，不同患者捐贈的胚胎存在明顯的異質性，影響實驗研究的可重復性。③倫理關切和技術限制，當前，可用于研究的捐贈胚胎只能體外延長培養至受精后第14天，因此無法用其研究原腸運動和器官發生的發育機制。此外，對捐贈胚胎進行基因編輯存在倫理和技術限制，這嚴重制約了對胚胎進行譜系示蹤和基因功能等領域的研究。

能夠在體外進行穩定培養和大量擴增的多能干細胞，可以有效克服胚胎研究所面臨的局限性。干細胞的優勢具體體現在以下幾方面：①具有發育多能性，能夠在合適條件下分化為特定類型的細胞；②能夠在體外維持自我更新，在合適培養條件下，能夠進行無限擴增；③易于進行基因編輯，能夠用于研究不同基因和信號通路的功能，以及不同譜系細胞的發育起源、特化動態和細胞間互作；④均質性較好，遺傳背景一致。

在合適條件下，干細胞能夠自我組裝產生胚胎樣結構，即類胚胎。雖然有證據表明，將小鼠多能干細胞注射到早期胚胎中，再放進小鼠體內，可以制造出出生后存活的小鼠，但對于如何讓干細胞在培養皿中經歷同樣的過程的相關研究才剛剛起步。而要做到這一點，干細胞需要沿著正確的發育路徑，才能分化為特定的細胞類型，包括對胚胎發育起到至關作用的支持細胞，如胎盤、胚外外胚層等胚外細胞。此外，研究人員還需要采用適當的培養基和方法支持類胚胎的發育。一旦滿足了這兩個要求，后繼胚胎的發育就由細胞自己完成了。

基于干細胞的類胚胎，能模擬胚胎發育過程的部分關鍵事件。類胚胎的誕生，是干細胞和胚胎研究領域的一個重大突破，它為研究人胚胎發育提供了一個強大的平臺。相比真實胚胎，類胚胎的顯著優勢在于：不受個體差異影響、易于獲取和操作、重復性高并可大規模制備。由于能對干細胞進行基因操作和對培養條件進行精準調控，因此類胚胎不僅可用于研究胚胎發育原理和異常發育機制，還可以用于搭建藥物研發和毒理測試平臺。

當前，已建立的人的類胚胎主要包括擬胚體、微圖案集落、原腸體、連續體節樣結構、羊膜囊胚體、不對稱上胚層模型、類囊胚、胚胎組裝體、合成胚胎和圍原腸體[5–9]。這些類胚胎中，擬胚體、微圖案集落、原腸體、連續體節樣結構、羊膜囊胚體和不對稱上胚層模型均屬于非整合胚胎模型（胚胎譜系細胞不完整），只模擬上胚層對應的發育事件，包括羊膜發生、對稱打破、原腸運動、三胚層特化和體節發生等；而類囊胚具有囊胚的形態特征和細胞組成，屬于完整的胚胎模型，能夠模擬囊胚三譜系發育和著床，但至今，人的類囊胚的著床后發育潛能還有待提高。上述提到的非整合胚胎模型和類囊胚，通常來源于單一類型的干細胞，與之相反，胚胎組裝體、合成胚胎和圍原腸體，往往來自兩種或兩種以上干細胞的混合和自我組裝。當前，胚胎組裝體、合成胚胎和圍原腸體能夠較好地模擬胚胎著床后的多譜系特化和復雜三維結構的形成，包括雙層胚盤、羊膜腔、卵黃囊、原條形成，胚外中胚層和原始生殖細胞特化，以及原腸運動和早期神經、造血發生等。

類胚胎的鑒定以真實胚胎的結構特征和細胞譜系組成作為參照。通過組織形態學、單細胞測序和發育潛能等方法進行評估。組織形態學通常采用相差顯微鏡、共聚焦顯微鏡和電鏡等觀察。細胞譜系鑒定則通過細胞形態、空間位置和標志物的免疫熒光染色來確定，并結合單細胞組學技術，進一步定義特定細胞譜系的轉錄和表觀特征。發育潛能主要通過體外延長培養和體內移植進行評估，但對于人的類胚胎，由于倫理限制，只能通過體外延長培養對其進行評估。

類胚胎在模擬人胚胎早期發育、解析信號通路功能、模擬疾病發生等方面都展現了廣闊的應用前景。利用類胚胎研究環境因素、藥物對胚胎發育的毒性和致畸作用和機理，為生殖健康提供重要理論依據。因此，類胚胎有望突破當前人胚胎研究面臨的限制，為深入理解人胚胎早期發育和妊娠相關疾病提供了新的平臺。

倫理、法律和社會對類胚胎研究的挑戰

對許多人來說，最大的問題是，類胚胎模型“下一步怎么辦”。這些模型能繼續發育到下一個階段，如原腸以及器官形成階段嗎？它們會包括在人類胚胎發育的第21～23天形成的跳動的心臟，還是會包括在第30天左右形成的脊髓？雖然目前人的類胚胎模型還沒有達到這些里程碑，但可能只是時間問題。因此，類胚胎的研究，既是科學領域的挑戰，同樣也引發倫理、法律和社會的問題。

類胚胎模型似乎不在當前人類胚胎的法律定義范圍內，它們不受相同的監管。然而兩者之間的區別正變得模糊，胚胎模型領域驚人的快速發展幾乎沒有時間讓監管和法律框架跟上。將胚胎模型推向更像胚胎和更高級的發育階段可能有助于科學家了解細胞是如何構建胚胎的，但如果將這一領域推得太深遠，可能會危及公眾對此類研究的支持。與任何生物學領域一樣，研究人員應注意根據研究的目的和科學問題使用最適合研究問題的模型。因此，最有用的胚胎模型也許是一個足夠復雜、有助于理解，但又不會跨越倫理界限的模型。這些挑戰需要在推動科學前沿的同時，確保研究活動符合社會的倫理標準和法律規范，使該領域能夠在公眾可接受的范圍內健康地發展。

在倫理層面，類胚胎研究引發了生命起源點、胚胎的倫理地位以及使用胚胎進行科學研究的倫理性問題。這涉及深層次的倫理和哲學討論，對社會產生了廣泛而深遠的影響。在法律方面，不同國家和地區對干細胞和類胚胎研究有著不同的法律和監管框架，以平衡科學自由和必要的倫理限制，確保研究在安全和道德的范圍內進行。因此，了解和遵守這些法律規定對于該領域的研究順利進行至關重要。

未來，隨著類胚胎研究和基因編輯技術的發展，倫理和法律問題將繼續演變。類胚胎研究的新興領域提出了更多倫理考量，需要科學界、倫理學家、法律專家和公眾共同努力，不斷探索和更新這些領域的倫理和法律指導原則。

結 語

隨著生物醫學研究的不斷深入，類胚胎技術已經成為探索人類早期發育、解決生殖健康問題的重要工具。這項技術不僅為我們提供了一種研究胚胎發育的新途徑，還為防治出生缺陷、疾病篩查、輔助生殖技術的改進等領域帶來了希望。它跨越了傳統研究的倫理和技術界限，提供了一個獨特的視角來觀察和理解生命的初始階段。

然而，隨著這項技術的發展，研究人員也面臨著新的挑戰，特別是在倫理和技術方面。類胚胎研究需要在尊重生命的原則和科學探索之間找到平衡。為此，需要建立嚴格的倫理指導原則和法律框架，確保科學研究的合理性和道德性。

類胚胎技術的發展前景令人充滿期待。隨著對這一領域認識的不斷深入，這項技術將在提高人類生育健康、治療遺傳疾病，乃至于生物醫學研究的其他領域發揮更加重要的作用。這不僅是科學的進步，更是對人類生命奧秘的探索。

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關鍵詞：干細胞 人的類胚胎 著床胚胎發育 原腸運動 器官發生 ■