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早在20世紀(jì)30年代，研究人員就設(shè)想在子宮外以人工的方式培養(yǎng)胚胎，這樣既能了解生命發(fā)育的整個(gè)過程，也能提取胚胎干細(xì)胞，以治療疾病。

經(jīng)過多年的探索，現(xiàn)在研究人員可以通過技術(shù)手段在子宮外的人工器皿中觀察胚胎的發(fā)育，而且方法不止一種，這為生命科學(xué)研究和防治疾病開啟了廣闊天地，但也有可能會打開潘多拉的魔盒。

最近，美國加州理工學(xué)院的馬格達(dá)萊納·戈茨團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表的論文介紹了在實(shí)驗(yàn)室里用不同的小鼠干細(xì)胞裝配小鼠胚胎的過程和結(jié)果。他們分別使用了來自小鼠的胚胎干細(xì)胞、滋養(yǎng)層干細(xì)胞和胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞，并把它們組裝起來，形成一個(gè)組合胚胎。

正常情況下，在精子和卵子結(jié)合后的第一周，會發(fā)育出三種干細(xì)胞，一種是胚胎干細(xì)胞，可發(fā)育成組織器官和生命個(gè)體，另外兩種是支持胚胎發(fā)育的干細(xì)胞—滋養(yǎng)層干細(xì)胞和胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞。三種類型的干細(xì)胞在胚胎發(fā)育過程中相互發(fā)送觸覺和化學(xué)信號，指導(dǎo)胚胎正常發(fā)育。

研究人員將上述三種干細(xì)胞按比例組合在一起，放進(jìn)培養(yǎng)皿中，促進(jìn)它們生長和“相互交流”，滋養(yǎng)層干細(xì)胞向胚胎干細(xì)胞發(fā)出化學(xué)信號，也通過觸覺指導(dǎo)胚胎的發(fā)育。最終這三類干細(xì)胞組裝成胚胎，產(chǎn)生了ETiX胚狀體（ETiX-embryoid）。ETiX胚狀體是一種胚胎模型，能夠發(fā)育到神經(jīng)胚形成之后。該ETiX胚狀體形成了前腦和中腦區(qū)域的頭褶，發(fā)育出了跳動的心臟樣結(jié)構(gòu)及部分神經(jīng)管，包含神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞的尾芽、腸管和原始生殖細(xì)胞。

為了檢測這種胚胎與自然發(fā)育的胚胎的異同，研究人員敲除了該胚胎參與眼部和其他感覺器官發(fā)育的Pax6基因，結(jié)果與敲除Pax6基因的自然小鼠胚胎相似，造成了眼部和感覺器官發(fā)育的異常。不過，這種合成的胚胎不能像正常的胚胎一樣發(fā)育出所有的器官，如無法形成神經(jīng)管、大腦和脊髓。

如果未來將這種胚胎模型應(yīng)用于培養(yǎng)人類胚胎，則能形成多種人體組織器官，可供醫(yī)治疾病和器官移植。同時(shí)，該模型還可以用于了解人類胚胎的發(fā)育過程，以幫助不育人群正常生育。不過，這些研究會受到倫理限制，因?yàn)槠駥θ祟惻咛パ芯康南拗七€是在14天以內(nèi)。

以色列魏茨曼科學(xué)研究所的漢娜團(tuán)隊(duì)在2021年和2022年進(jìn)行的兩項(xiàng)研究都是對子宮外胚胎孕育的觀察和研究。漢娜團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)人造子宮，并使用這種人造子宮培養(yǎng)小鼠胚胎，胚胎生長時(shí)間達(dá)到6天（小鼠妊娠期的三分之一）。

通過6天的觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)了胚胎發(fā)育中的一些基因編碼的程序，而且初步了解了有關(guān)出生缺陷、發(fā)育缺陷以及與胚胎植入有關(guān)的線索。

盡管過去的人造子宮能讓小鼠胚胎發(fā)育成長，但其更多的作用是為胚胎提供營養(yǎng)支持。其實(shí)，自然胚胎的生長需要多種細(xì)胞信號。因此，漢娜團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型人造子宮sEmbryo，以更好地觀察胚胎的發(fā)育，并用于在子宮外培養(yǎng)小鼠胚胎。

研究人員在小鼠胚胎自然發(fā)育到由250個(gè)相同的干細(xì)胞組成的小球時(shí)，將這些胚胎球放入實(shí)驗(yàn)室的人造子宮sEmbryo內(nèi)。sEmbryo是一個(gè)培養(yǎng)皿，有特殊的生長培養(yǎng)基，胚胎球可以附著在培養(yǎng)基上，就像附著在小鼠的子宮壁上。

在胚胎發(fā)育的第一階段，胚胎會增至原來的兩三倍，并分化成三層：內(nèi)胚層、中胚層和外胚層。兩天后，小鼠胚胎進(jìn)入下一個(gè)發(fā)育階段，開始從每一層中形成器官的雛形。在這個(gè)階段，研究團(tuán)隊(duì)將小鼠胚胎放在sEmbryo中的燒杯營養(yǎng)液中，并將燒杯放置在使?fàn)I養(yǎng)液保持運(yùn)動并不斷混合的滾輪上。這種裝置的作用是模擬自然孕育中母體血液流向胚胎的過程。此外，研究人員還要調(diào)節(jié)燒杯中的營養(yǎng)物質(zhì)，密切監(jiān)控人造子宮中的氧氣、二氧化碳濃度和氣壓。因此，sEmbryo比過去的人造子宮更有利于胚胎生長。

在這項(xiàng)研究中，研究人員可以觀察到小鼠初始的胚胎干細(xì)胞瞬時(shí)表達(dá)Cdx2和 Gata4基因，以促進(jìn)它們分別向滋養(yǎng)外胚層和原始內(nèi)胚層譜系發(fā)育，還能觀察到小鼠原腸運(yùn)動（胚胎發(fā)育成各種組織器官的關(guān)鍵生命過程）到器官出現(xiàn)早期階段的細(xì)胞發(fā)育情況。

未來，如果能在倫理方面取得共識，在技術(shù)方面取得進(jìn)展，或許可以通過人造子宮培養(yǎng)人類胚胎干細(xì)胞以治療疾病，甚至可以讓胚胎干細(xì)胞發(fā)育成多種器官進(jìn)行器官移植。

今年8月25日，位于湖南長沙的人類干細(xì)胞國家工程研究中心宣布，“利用人胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化的肝細(xì)胞治療急性/慢加急性肝衰竭的安全性臨床研究”項(xiàng)目治療的首位患者，目前生存狀況良好，表明肝細(xì)胞治療肝衰竭安全有效。這是全球首次采用人胚胎干細(xì)胞來源肝細(xì)胞治療肝衰竭患者。

這種治療方法特別有益于中國人。中國是肝病大國，每年約有600萬終末期肝病新增病人，目前對這類病人最有效的治療方法是原位肝移植。但是，供體肝臟極為匱乏，很多人在等待供體肝臟的過程中去世?，F(xiàn)在，中國科學(xué)家已經(jīng)證明人胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化的肝臟細(xì)胞治療肝衰竭患者安全有效，表明這種方式相較于利用肝移植治療終末期肝病更具優(yōu)勢，成本也更低，因此有望打破肝衰竭治療瓶頸。此外，胚胎干細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化為各類細(xì)胞，也能為治療多種疾病提供安全、穩(wěn)定、充足的細(xì)胞來源。

胚胎干細(xì)胞的實(shí)用性研究也體現(xiàn)在可以讓其分化和生長為生殖細(xì)胞（如男性的精子），以治療不育癥。

現(xiàn)在，美國佐治亞大學(xué)和中國華東師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)展開合作，利用非人靈長類動物的胚胎干細(xì)胞在體外分化出功能性精子細(xì)胞。不過，這樣的精子細(xì)胞并不成熟，還不能與卵子結(jié)合以產(chǎn)生胚胎。這種從胚胎干細(xì)胞分化的初級單倍體精子缺少一種關(guān)鍵蛋白TET3，后者通常在成熟精子中表達(dá)。為此，研究人員將激活因子和純化的TET3蛋白加入這些精子細(xì)胞中，以讓其成熟并能與卵子結(jié)合，提高了生成健康胚胎的概率。這也意味著，經(jīng)過進(jìn)一步的人工干預(yù)，靈長類的胚胎干細(xì)胞可生成成熟精子。

如果獲得相關(guān)倫理委員會的批準(zhǔn)，隨著技術(shù)成熟，未來也可以利用人類胚胎干細(xì)胞生成精子和卵子，以治療不育癥。