在生物醫(yī)學(xué)的探索中，干細(xì)胞研究正照亮生命最神秘的初章。在這一領(lǐng)域中，基于干細(xì)胞的類胚胎研究尤為突出，它通過(guò)干細(xì)胞的自組裝揭開(kāi)了人胚胎早期發(fā)育的神秘面紗。這不僅是對(duì)細(xì)胞命運(yùn)和發(fā)育生物學(xué)的深入洞察，更是對(duì)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(duì)生命早期發(fā)育的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，并為再生醫(yī)學(xué)和疾病診療帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。本文將引導(dǎo)你步入類胚胎研究的核心，了解干細(xì)胞在這一過(guò)程中的關(guān)鍵作用，并深入分析這一領(lǐng)域所引發(fā)的科學(xué)革新和倫理討論。

生命之初：從受精卵到器官的神奇發(fā)育之旅

受精卵經(jīng)過(guò)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(gè)由滋養(yǎng)外胚層和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)組成的腔囊結(jié)構(gòu)，稱為囊胚。囊胚在著床前經(jīng)歷兩次譜系分離：首先形成滋養(yǎng)外胚層和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，然后內(nèi)細(xì)胞團(tuán)進(jìn)一步特化為上胚層（epiblast， EPI）和原始內(nèi)胚層（primitive endoderm， PrE）。胚胎著床后，嚙齒類和靈長(zhǎng)類展現(xiàn)不一樣的結(jié)構(gòu)特征：小鼠的EPI和PrE發(fā)育為杯狀的卵圓桶結(jié)構(gòu)，而靈長(zhǎng)類的EPI和PrE則形成雙層胚盤結(jié)構(gòu)。隨著胚胎往下發(fā)育，EPI先后發(fā)生極化和經(jīng)歷腔化并產(chǎn)生羊膜囊結(jié)構(gòu)，其背側(cè)的EPI特化為羊膜上皮，而腹側(cè)的EPI繼續(xù)維持多能性；PrE則進(jìn)一步發(fā)育并往下遷移，最終形成卵黃囊結(jié)構(gòu)。在形成羊膜囊和卵黃囊的同時(shí)，滋養(yǎng)外胚層先后特化為細(xì)胞滋養(yǎng)層、合胞體滋養(yǎng)層和絨毛外滋養(yǎng)層細(xì)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(xì)胞的特化，胚胎發(fā)育隨后進(jìn)入原腸運(yùn)動(dòng)階段。體軸的形成和三胚層的特化，為后續(xù)的器官發(fā)生奠定基礎(chǔ)。神經(jīng)管和原始心管的形成，標(biāo)志著胚胎發(fā)育步入器官發(fā)生階段。

在胚胎的時(shí)空發(fā)育過(guò)程中，呈現(xiàn)的是一個(gè)高度有序、復(fù)雜而令人嘆為觀止的過(guò)程。從受精卵到囊胚、從囊胚到原腸運(yùn)動(dòng)，從原腸運(yùn)動(dòng)到器官發(fā)生，每個(gè)階段都涉及精確的信號(hào)調(diào)控和復(fù)雜的譜系互作，并伴隨不同細(xì)胞類型的命運(yùn)決定和遷移重排，最終形成胚胎有序的三維組織結(jié)構(gòu)。然而目前，仍缺乏關(guān)于這個(gè)階段細(xì)胞如何交流以及基因表達(dá)在發(fā)育階段如何變化的動(dòng)態(tài)信息。

延長(zhǎng)培養(yǎng)：胚胎體外延長(zhǎng)培養(yǎng)揭秘著床后發(fā)育

胚胎學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)取得的突破性成果使得我們對(duì)生命發(fā)育過(guò)程的認(rèn)知發(fā)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(zhǎng)培養(yǎng)至著床后階段[1]，此舉顛覆了關(guān)于腔形成的傳統(tǒng)細(xì)胞凋亡學(xué)說(shuō)，從而改寫了教科書。隨后，王紅梅和顧奇團(tuán)隊(duì)采用仿生子宮技術(shù)成功將小鼠胚胎延長(zhǎng)培養(yǎng)至早期器官發(fā)生階段，而漢納（J. Hanna）團(tuán)隊(duì)則構(gòu)建了高效的體外培養(yǎng)平臺(tái)，為研究小鼠胚胎發(fā)育提供了更適合的生長(zhǎng)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了將小鼠胚胎體外培養(yǎng)至晚期器官發(fā)生階段[2]。在小鼠胚胎體外延長(zhǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，2016年，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了人囊胚在體外培養(yǎng)到第13天的突破。延長(zhǎng)培養(yǎng)的胚胎展現(xiàn)出一系列著床后早期發(fā)育關(guān)鍵事件：上胚層極化、羊膜腔和卵黃囊形成、雙層胚盤產(chǎn)生以及滋養(yǎng)層分化。2019年，湯富酬和喬杰團(tuán)隊(duì)結(jié)合人胚胎體外延長(zhǎng)培養(yǎng)和單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序技術(shù)，首次揭示了人胚胎著床過(guò)程中的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和DNA甲基化圖譜，深度解析了分子調(diào)控機(jī)制[3]。

然而，上述二維培養(yǎng)系統(tǒng)存在局限，不同于著床后胚胎的三維生長(zhǎng)環(huán)境。筆者和季維智團(tuán)隊(duì)克服了這一問(wèn)題，首次將人囊胚在三維條件下延長(zhǎng)培養(yǎng)至原腸前階段[4]，呈現(xiàn)了著床后胚胎更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和胚外中胚層的出現(xiàn)。此外，王紅梅、譚韜和季維智團(tuán)隊(duì)分別將食蟹猴胚胎在體外延長(zhǎng)培養(yǎng)至25天，并揭示了食蟹猴胚胎原腸運(yùn)動(dòng)和早期器官發(fā)生的特征。胚胎體外延長(zhǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)的建立，為揭示生命的奧秘翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。

類胚胎：干細(xì)胞和胚胎發(fā)育研究的有機(jī)結(jié)合

真實(shí)胚胎的形態(tài)特征和組學(xué)數(shù)據(jù)，為研究人胚胎發(fā)育提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)于深入研究分子機(jī)制、追蹤發(fā)育動(dòng)態(tài)、揭示發(fā)育原理、解析疾病機(jī)理、提供藥物篩選平臺(tái)和探尋疾病診療策略來(lái)說(shuō)，使用胚胎體外延長(zhǎng)培養(yǎng)的方式研究人早期發(fā)育仍面臨如下局限：①資源稀缺，用于體外研究的人胚胎來(lái)自患者捐贈(zèng)的剩余胚胎，其數(shù)量非常有限。②異質(zhì)性，因?yàn)槟挲g和其他身體條件的差異，不同患者捐贈(zèng)的胚胎存在明顯的異質(zhì)性，影響實(shí)驗(yàn)研究的可重復(fù)性。③倫理關(guān)切和技術(shù)限制，當(dāng)前，可用于研究的捐贈(zèng)胚胎只能體外延長(zhǎng)培養(yǎng)至受精后第14天，因此無(wú)法用其研究原腸運(yùn)動(dòng)和器官發(fā)生的發(fā)育機(jī)制。此外，對(duì)捐贈(zèng)胚胎進(jìn)行基因編輯存在倫理和技術(shù)限制，這嚴(yán)重制約了對(duì)胚胎進(jìn)行譜系示蹤和基因功能等領(lǐng)域的研究。

能夠在體外進(jìn)行穩(wěn)定培養(yǎng)和大量擴(kuò)增的多能干細(xì)胞，可以有效克服胚胎研究所面臨的局限性。干細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下幾方面：①具有發(fā)育多能性，能夠在合適條件下分化為特定類型的細(xì)胞；②能夠在體外維持自我更新，在合適培養(yǎng)條件下，能夠進(jìn)行無(wú)限擴(kuò)增；③易于進(jìn)行基因編輯，能夠用于研究不同基因和信號(hào)通路的功能，以及不同譜系細(xì)胞的發(fā)育起源、特化動(dòng)態(tài)和細(xì)胞間互作；④均質(zhì)性較好，遺傳背景一致。

在合適條件下，干細(xì)胞能夠自我組裝產(chǎn)生胚胎樣結(jié)構(gòu)，即類胚胎。雖然有證據(jù)表明，將小鼠多能干細(xì)胞注射到早期胚胎中，再放進(jìn)小鼠體內(nèi)，可以制造出出生后存活的小鼠，但對(duì)于如何讓干細(xì)胞在培養(yǎng)皿中經(jīng)歷同樣的過(guò)程的相關(guān)研究才剛剛起步。而要做到這一點(diǎn)，干細(xì)胞需要沿著正確的發(fā)育路徑，才能分化為特定的細(xì)胞類型，包括對(duì)胚胎發(fā)育起到至關(guān)作用的支持細(xì)胞，如胎盤、胚外外胚層等胚外細(xì)胞。此外，研究人員還需要采用適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基和方法支持類胚胎的發(fā)育。一旦滿足了這兩個(gè)要求，后繼胚胎的發(fā)育就由細(xì)胞自己完成了。

基于干細(xì)胞的類胚胎，能模擬胚胎發(fā)育過(guò)程的部分關(guān)鍵事件。類胚胎的誕生，是干細(xì)胞和胚胎研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，它為研究人胚胎發(fā)育提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。相比真實(shí)胚胎，類胚胎的顯著優(yōu)勢(shì)在于：不受個(gè)體差異影響、易于獲取和操作、重復(fù)性高并可大規(guī)模制備。由于能對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行基因操作和對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，因此類胚胎不僅可用于研究胚胎發(fā)育原理和異常發(fā)育機(jī)制，還可以用于搭建藥物研發(fā)和毒理測(cè)試平臺(tái)。

當(dāng)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(xù)體節(jié)樣結(jié)構(gòu)、羊膜囊胚體、不對(duì)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(xù)體節(jié)樣結(jié)構(gòu)、羊膜囊胚體和不對(duì)稱上胚層模型均屬于非整合胚胎模型（胚胎譜系細(xì)胞不完整），只模擬上胚層對(duì)應(yīng)的發(fā)育事件，包括羊膜發(fā)生、對(duì)稱打破、原腸運(yùn)動(dòng)、三胚層特化和體節(jié)發(fā)生等；而類囊胚具有囊胚的形態(tài)特征和細(xì)胞組成，屬于完整的胚胎模型，能夠模擬囊胚三譜系發(fā)育和著床，但至今，人的類囊胚的著床后發(fā)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(lái)源于單一類型的干細(xì)胞，與之相反，胚胎組裝體、合成胚胎和圍原腸體，往往來(lái)自兩種或兩種以上干細(xì)胞的混合和自我組裝。當(dāng)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(fù)雜三維結(jié)構(gòu)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(xì)胞特化，以及原腸運(yùn)動(dòng)和早期神經(jīng)、造血發(fā)生等。

類胚胎的鑒定以真實(shí)胚胎的結(jié)構(gòu)特征和細(xì)胞譜系組成作為參照。通過(guò)組織形態(tài)學(xué)、單細(xì)胞測(cè)序和發(fā)育潛能等方法進(jìn)行評(píng)估。組織形態(tài)學(xué)通常采用相差顯微鏡、共聚焦顯微鏡和電鏡等觀察。細(xì)胞譜系鑒定則通過(guò)細(xì)胞形態(tài)、空間位置和標(biāo)志物的免疫熒光染色來(lái)確定，并結(jié)合單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步定義特定細(xì)胞譜系的轉(zhuǎn)錄和表觀特征。發(fā)育潛能主要通過(guò)體外延長(zhǎng)培養(yǎng)和體內(nèi)移植進(jìn)行評(píng)估，但對(duì)于人的類胚胎，由于倫理限制，只能通過(guò)體外延長(zhǎng)培養(yǎng)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

類胚胎在模擬人胚胎早期發(fā)育、解析信號(hào)通路功能、模擬疾病發(fā)生等方面都展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。利用類胚胎研究環(huán)境因素、藥物對(duì)胚胎發(fā)育的毒性和致畸作用和機(jī)理，為生殖健康提供重要理論依據(jù)。因此，類胚胎有望突破當(dāng)前人胚胎研究面臨的限制，為深入理解人胚胎早期發(fā)育和妊娠相關(guān)疾病提供了新的平臺(tái)。

倫理、法律和社會(huì)對(duì)類胚胎研究的挑戰(zhàn)

對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是，類胚胎模型“下一步怎么辦”。這些模型能繼續(xù)發(fā)育到下一個(gè)階段，如原腸以及器官形成階段嗎？它們會(huì)包括在人類胚胎發(fā)育的第21～23天形成的跳動(dòng)的心臟，還是會(huì)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(méi)有達(dá)到這些里程碑，但可能只是時(shí)間問(wèn)題。因此，類胚胎的研究，既是科學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，同樣也引發(fā)倫理、法律和社會(huì)的問(wèn)題。

類胚胎模型似乎不在當(dāng)前人類胚胎的法律定義范圍內(nèi)，它們不受相同的監(jiān)管。然而兩者之間的區(qū)別正變得模糊，胚胎模型領(lǐng)域驚人的快速發(fā)展幾乎沒(méi)有時(shí)間讓監(jiān)管和法律框架跟上。將胚胎模型推向更像胚胎和更高級(jí)的發(fā)育階段可能有助于科學(xué)家了解細(xì)胞是如何構(gòu)建胚胎的，但如果將這一領(lǐng)域推得太深遠(yuǎn)，可能會(huì)危及公眾對(duì)此類研究的支持。與任何生物學(xué)領(lǐng)域一樣，研究人員應(yīng)注意根據(jù)研究的目的和科學(xué)問(wèn)題使用最適合研究問(wèn)題的模型。因此，最有用的胚胎模型也許是一個(gè)足夠復(fù)雜、有助于理解，但又不會(huì)跨越倫理界限的模型。這些挑戰(zhàn)需要在推動(dòng)科學(xué)前沿的同時(shí)，確保研究活動(dòng)符合社會(huì)的倫理標(biāo)準(zhǔn)和法律規(guī)范，使該領(lǐng)域能夠在公眾可接受的范圍內(nèi)健康地發(fā)展。

在倫理層面，類胚胎研究引發(fā)了生命起源點(diǎn)、胚胎的倫理地位以及使用胚胎進(jìn)行科學(xué)研究的倫理性問(wèn)題。這涉及深層次的倫理和哲學(xué)討論，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。在法律方面，不同國(guó)家和地區(qū)對(duì)干細(xì)胞和類胚胎研究有著不同的法律和監(jiān)管框架，以平衡科學(xué)自由和必要的倫理限制，確保研究在安全和道德的范圍內(nèi)進(jìn)行。因此，了解和遵守這些法律規(guī)定對(duì)于該領(lǐng)域的研究順利進(jìn)行至關(guān)重要。

未來(lái)，隨著類胚胎研究和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，倫理和法律問(wèn)題將繼續(xù)演變。類胚胎研究的新興領(lǐng)域提出了更多倫理考量，需要科學(xué)界、倫理學(xué)家、法律專家和公眾共同努力，不斷探索和更新這些領(lǐng)域的倫理和法律指導(dǎo)原則。

結(jié) 語(yǔ)

隨著生物醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，類胚胎技術(shù)已經(jīng)成為探索人類早期發(fā)育、解決生殖健康問(wèn)題的重要工具。這項(xiàng)技術(shù)不僅為我們提供了一種研究胚胎發(fā)育的新途徑，還為防治出生缺陷、疾病篩查、輔助生殖技術(shù)的改進(jìn)等領(lǐng)域帶來(lái)了希望。它跨越了傳統(tǒng)研究的倫理和技術(shù)界限，提供了一個(gè)獨(dú)特的視角來(lái)觀察和理解生命的初始階段。

然而，隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，研究人員也面臨著新的挑戰(zhàn)，特別是在倫理和技術(shù)方面。類胚胎研究需要在尊重生命的原則和科學(xué)探索之間找到平衡。為此，需要建立嚴(yán)格的倫理指導(dǎo)原則和法律框架，確?？茖W(xué)研究的合理性和道德性。

類胚胎技術(shù)的發(fā)展前景令人充滿期待。隨著對(duì)這一領(lǐng)域認(rèn)識(shí)的不斷深入，這項(xiàng)技術(shù)將在提高人類生育健康、治療遺傳疾病，乃至于生物醫(yī)學(xué)研究的其他領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。這不僅是科學(xué)的進(jìn)步，更是對(duì)人類生命奧秘的探索。

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關(guān)鍵詞：干細(xì)胞 人的類胚胎 著床胚胎發(fā)育 原腸運(yùn)動(dòng) 器官發(fā)生 ■