“機器子宮”體外合成胚胎

藏在母體深處的胚胎發育過程是大自然最大的秘密之一，現在，科學家為了解這個秘密打開了一扇新的窗口。他們首次在不需要精子或卵子的情況下，利用干細胞制造出人造小鼠胚胎，并使用一種創新的生物反應器培育該胚胎，使其成功在子宮外生長。

沒有參與此項工作的荷蘭萊頓大學醫學中心干細胞生物學家Niels Geijsen指出，模擬胚胎發育出的結構與真實胚胎相匹配，并且“在細胞水平上極其相似，即正確的細胞在正確的時間出現”。

8月1日，《細胞》雜志報道了這一成果，這將使生物學家能夠更深入地研究發育機制，更好地了解出生缺陷。該團隊領導者、以色列魏茨曼科學研究所干細胞生物學家Jacob Hanna表示，接下來，他希望對類似的人類干細胞進行同樣的研究。

此前，研究人員已經用由多種小鼠或人類干細胞制成的胚胎模擬體，重現了早期發育的部分過程，包括胚胎干細胞，它們來自正常胚胎，可以形成人體的所有組織。他們還模仿了囊胚，即植入子宮的簡單發育階段，并在胚胎變成多層時重建了原腸胚。然而，這些模擬胚胎最終卻遇到了發育障礙——它們的細胞開始分化，但不能合成器官。

其中一個障礙是如何讓人造胚胎存活數天以上。去年，Hanna和同事公布了一項培育過程，使得他們在母體外培育標準小鼠胚胎的時間達到創紀錄的11天（一般小鼠的妊娠期約為20天）。關鍵步驟包括將胚胎放入裝有類似摩天輪裝置的培養箱中，該裝置可在裝滿營養素和生長因子的液體瓶中旋轉胚胎，使得研究小組能夠精確控制生長條件，如氧氣水平。

然而，這些胚胎來自小鼠的受精卵。為了確定同樣的過程是否能讓干細胞轉化為成熟胚胎，Hanna團隊又將基本的小鼠胚胎干細胞與經過基因改造的胚胎干細胞譜系混合，使其在胚胎外產生支持生長的組織。研究小組在培養皿上培養細胞第5天后，將其轉移到旋轉瓶中。

到了第8天，這些“胚狀體”與8.5天的自然胚胎非常相似——擁有跳動的心臟、明顯的頭尾軸、形成骨骼肌的塊狀部分、發育中的大腦、脊髓及其他器官。Hanna說，他們還測量了超過4萬個類胚胎細胞的基因活性，發現所有預期的細胞類型都位于正確的位置。

美國得克薩斯大學西南醫學中心細胞生物學家吳軍（音）說，“這是一項重要的研究，證明了單獨的胚胎干細胞可以在體外完全生成包含所有早期器官的完整胚胎樣結構。”

由于未知原因，這些人造胚胎在發育8天后停止了生長。奧地利科學院分子生物技術研究所的干細胞生物學家Nicolas Rivron說，盡管如此，干細胞來源的胚胎在研究中仍比普通小鼠胚胎更具優勢，因為干細胞數量更多，科學家就更容易掌控。

目前，制造模擬胚胎的程序在大多數情況下都失敗了，形成模擬胚胎的初始細胞聚集不到1%。但是，Hanna指出，“這項技術的優點在于，我們可以一次批量生產數百萬個聚合體。”

用人類胚胎干細胞達到同樣的效果，可能會避免人類胚胎研究中的一些爭議。“這為胚胎的使用提供了倫理和技術上的替代方案。”Rivron說。

Hanna與他人聯合創辦了一家公司，將研究這種方法是否適用于人類誘導多能干細胞，這些干細胞來源于成人細胞而非胚胎。胚胎中的細胞和組織釋放調控其相鄰細胞正確發育的因子。因此，首先將干細胞培育成人工胚胎可能會提供一種更好的方法，以產生可移植用于治療人類疾病的細胞類型。Hanna說，這“更符合生理規律”。