與自然胚胎相似達95%，實現「人造子宮」培育幹細胞來源小鼠胚胎

1999 年的電影《駭客帝國》中，胚胎可以在充滿營養液體的玻璃罐子中被養大；科幻片《第六日》中，施瓦辛格扮演的克隆人在巨大的人工羊水池裡培養，其生長速度很快，能夠免去幼年、青少年的發育過程。

這些電影中的橋段正在成為現實，沒有精子和卵子，甚至連子宮也不用，就能創造出活生生的胚胎。

近日，來自以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的研究團隊

利用小鼠的原始態胚胎幹細胞構建出胚胎模型

，然後將其置於“人造機械子宮”中進行培養，並且這個

小鼠“合成胚胎”與自然胚胎非常相似

，擁有一顆跳動的心臟、胎盤、卵黃囊，以及形成中的血管組織等。

目前，這些研究成果已經以“Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Nave ESCs”（原腸胚形成後從小鼠原始態胚胎幹細胞體外培養合成胚胎）為題發表於 Cell 上。

（來源：Cell）

▲圖｜“合成胚胎”在“機械子宮”中培養（來源：Cell）

“在這項研究中，我們沒有透過精子、卵子以及子宮，僅僅

用幹細胞就培育出了小鼠的胚胎

，更為關鍵的是，

‘合成胚胎’在我們開發的‘人造子宮’中發育存活了 8 天之久。

”該論文的通訊作者、魏茨曼科學研究所細胞生物學教授 Jacob Hanna 博士介紹道。

2001 年，從以色列耶路撒冷希伯來大學醫學系本科畢業後，Jacob Hanna 繼續在該校攻讀博士學位，研究方向為臨床醫學。博士畢業後，他進入麻省理工學院白頭研究所（Whitehead institute）從事博士後研究工作。

目前，Jacob Hanna 是以色列魏茨曼科學研究所細胞生物學教授和高階科學家，併成立了自己的課題組，他將多種實驗方法與計算生物學相結合，以此來研究胚胎幹細胞生物學、早期胚胎髮育以及人類疾病建模等課題。比如透過破譯誘導多能幹細胞產生機制來描述人類多能幹細胞的獨特類性和人類早期發育的各個階段。他所從事的研究不僅有助於闡明細胞重程式設計的分子學機制，還將有望為 1 型糖尿病等退行性疾病以及各種自身免疫性疾病建立研究模型。

值得一提的是，Jacob Hanna 博士還入選了

2010 年度 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”。

▲圖｜魏茨曼科學研究所細胞生物學教授 Jacob Hanna 博士（來源：Weizmann Institute of Science）

實驗室培育的“合成胚胎”與自然胚胎相似度達 95%

多年以來，科學家們一直試圖在體外還原胚胎生長髮育的程序。胚胎幹細胞是從早期胚胎中分離出來的一類細胞，具有無限增殖、自我更新和多向分化等特性。如今，科學家們已經能夠將成熟體細胞重程式設計為原始態的胚胎幹細胞。

先前的研究已經證實，原始態胚胎幹細胞能夠誘導分化成原始內胚層細胞和滋養層幹細胞，這也就意味著，它具有發育成完整胚胎的潛力。因此，從理論上來講，原始態胚胎幹細胞具有發育成為各種器官甚至是完整胚胎的潛力，但研究人員尚未在體外實現這個過程，難以從胚胎幹細胞分化為高度特異性的組織器官或得到完整的胚胎。

Jacob Hanna 團隊的這項研究正是突破了這個難題。在該試驗中，他們並沒有使用自然的胚胎幹細胞，而是從小鼠的面板細胞中提取出幹細胞，然後將這些幹細胞

重程式設計為原始態的胚胎幹細胞（ESCs）

，完成了胚胎模型的構建。

▲圖｜“合成胚胎”的體外培養流程（來源：Cell）

首先，他們過表達相關基因，把原始態胚胎幹細胞分化成為原始內胚層細胞和滋養層幹細胞，並混合胚胎幹細胞，將這三種細胞按照一定比例置入培養基進行培育。

培育 3 天后，將這些細胞轉移至培養箱中繼續培育，此時可觀察到細胞數量明顯增多，三種細胞聚整合為“葫蘆”狀的胚胎，同時能夠看到外胚層細胞；5 天后，將“合成胚胎”轉移至“人造機械子宮”中進行旋轉培育，此時的胚胎形狀逐漸變成“圓柱”狀，並且逐漸開始分化出羊膜、羊膜腔以及胚外體腔等。

最終，這個“合成胚胎”存活了 8 天。“合成胚胎”已經

出現了跳動的心臟、大腦、腸道、血管等器官組織的特異性分化

，並且，“合成胚胎”與自然生長髮育的胚胎在形態和基因表達等方面都非常相似。透過分析其在不同組織中的基因表達，研究人員發現

“合成胚胎”與自然胚胎相似度達 95%。

▲圖｜“合成胚胎”培育第 8 天與自然胚胎培育第 8。5 天的組織對比（來源：Cell）

與此同時，研究人員還對數萬個類胚細胞進行了基因活性測量，結果發現測量的細胞型別都處於正確的位置。“我們的試驗表明，

哺乳動物的胚胎是可以在子宮外生長髮育的。

”Jacob Hanna 指出，“一般情況下，小鼠完整的妊娠時間大約是 20 天，我們的‘合成胚胎’在子宮外存活了長達 8 天。這是一個令人驚歎的試驗，我們從一個細胞開始，實現了對早期胚胎髮育過程的模擬，而在此前這是難以完成的。”

這項研究標誌著人類首次在不使用精子、卵子和子宮的情況下創造出小鼠的“合成胚胎”，這為今後進一步探索幹細胞如何在發育的胚胎中形成各種器官以及基因突變如何導致發育性疾病打下了基礎。

值得注意的是，這項研究成果雖然令業界驚歎，但現階段也存在一些不足，比如，目前的方法

成功率只有 0.5%

，每一千個細胞團中大約只有五個能夠最終發育成胚胎，其餘均無法正常發育。

▲圖｜“合成胚胎”在“人造機械子宮”中進行旋轉培育（來源：Cell）

數十年來，科學家們一直在探索如何讓胚胎在子宮外存活，而這項試驗能夠取得成功關鍵則是，該團隊先前開發出的一項胚胎體外培養技術，可以在體外模擬胚胎髮育環境。

據瞭解，去年 3 月，Jacob Hanna 團隊開發出一種體外的胚胎培養機械裝置——“機械子宮”，並且成功地讓

小鼠自然胚胎在“機械子宮”裡面存活了 6 天

，胚胎的發育經歷了原腸胚前期到器官發生晚期的關鍵階段。相關研究已經以“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis”（從原腸胚形成前到器官發生晚期的體外小鼠胚胎髮育）為題發表在 Nature 上。

（來源：Nature）

“我們設計的這個‘人造機械子宮’裝置可以想象為一個電子控制的細胞培養箱，它能嚴格控制諸如氧氣、壓力、溫度等引數，以此來模擬小鼠胚胎所必須的生長髮育條件。有了這個裝置，我們就可以

在體外實現胚胎從原腸胚前期到器官分化的關鍵發育階段。

”Jacob Hanna 說道。

“人造機械子宮”核心部件是一個個透明的培養瓶，胚胎浸潤在富含營養的血清以及氧氣中。透過玻璃瓶，研究人員可以觀察到這些胚胎細胞的生長髮育過程，以及如何一步一步形成各種器官和組織。

▲圖｜透過“機械子宮”可看到“合成胚胎”（來源：Nature）

對於這項新研究下一步的動向，Jacob Hanna 博士表示將使用他自己（也包括一些其他志願者）的血液或面板細胞，來製造合成人類胚胎幹細胞。“相信不就的將來，我的實驗室裡就會充滿我自己的上千個基因克隆，但需要注意的是，我們並不是真正意義上的製造出‘人’，這不是我們想要做的研究。”Jacob Hanna 說道。

已經創立公司進行成果轉化，專注於器官移植

目前，Jacob Hanna 已經創立了一家名為 Renewal Bio 的生物技術公司，專注於探索和測試人類合成胚胎的潛在臨床應用。簡而言之，

透過模擬人類胚胎的早期階段，來獲得各種器官或組織用於進行移植。

據瞭解，該公司已經在以色列獲得了這項新研究的倫理許可，而且在美國和英國等國家也獲得了許可。“需要特別強調的是，我們培育的這種‘合成胚胎’只是一個胚狀體，它不是真正的胚胎，因為它並

不具備發育成為活體的能力。

”Jacob Hanna 說道。

“就現階段來說，器官移植面臨的最大問題是如何找到一個‘完美匹配’的供體，畢竟供體 DNA 與患者 DNA 不可能完全相同。倘若某一天，

人類的器官可以在實驗室的用‘合成胚胎’培育出來，那麼我們的這項技術每年可以為成千上萬的患者提供自體的移植器官

，拯救更多的生命。”Jacob Hanna 表示。

目前而言，諸如軟骨或骨骼等簡單的組織可以透過體外培養的方式獲得，但是絕大多數的複雜器官在現階段是難以實現的。而這種“合成胚胎”或許在將來可以成為移植器官的可靠來源，成為真正意義上的 3D 生物器官印表機。

“雖然現在談人造器官還為時尚早，但我們確實已經開始付諸於行動了，我認為

‘合成胚胎’就是一臺非常好的 3D 生物器官印表機。

”Jacob Hanna 指出，“它可以說

是提供器官和組織的最佳供體

，而這也是我創立公司的初衷。”

目前，Renewal Bio 公司的技術路線、平臺等任何資訊都尚未公開披露，並且該公司的官網也頗為“簡陋”，幾乎沒有任何相關介紹。“自從 CRISPR 基因編輯技術首次亮相以來，我還沒有看到擁有如此巨大潛力的技術。沒有卵子、沒有精子、沒有子宮，直接從細胞中創造出合成胚胎，我認為這是一個巨大的、變革性的平臺技術。但目前公司成立不久還處於早期階段，所以我們不想做出過多的承諾，當然也不想‘嚇到’廣大群眾。”該公司的執行長 Omri Amirav Drory 表示。

（來源：Pixabay）

胚胎幹細胞的相關研究，總是會伴隨著出現倫理問題，成為一個頗具爭議的領域。支持者認為，胚胎幹細胞可以用於根治很多疑難雜症，是醫學進步的表現；而反對者則表示，進行胚胎幹細胞研究會破壞掉胚胎，有反生命倫理。

具體到這項研究而言，這或許是一個灰色地帶，因為關於合成胚胎是否有任何權利可能存在爭議。來自弗朗西斯·克里克研究所的 James Briscoe 博士就公開表示對這項研究的擔憂。“我們對人類胚胎比對小鼠胚胎的瞭解少得多，這項研究中小鼠胚胎組裝成功率只有 0。5%，所以，用在人類胚胎上還非常遠的路要走。顯然，

在開發人類合成胚胎之前討論如何規範這項研究工作是至關重要的一件事。

”他指出。

對此，Jacob Hanna 則不認為這種由幹細胞加工成人造合成胚胎能夠算作人類，作為應對方案，他也想到一個計劃以防萬一，即

限制合成胚胎的發育潛力

來規避倫理問題。“對於倫理問題，我們也為此投入了大量資金進行研究與開發。比如，我們對幹細胞進行基因改造，這樣的合成胚胎在發育過程中會缺少相應的器官，比如沒有心臟或沒有大腦等，而具有我們需要的器官。”Jacob Hanna 表示。

凱斯西儲大學醫學院的發育生物學家 Paul Tesar 曾說過，隨著科學家不斷革新幹細胞來源的胚胎的生物技術，未來，

合成胚胎和自然胚胎的界線也會變得模糊起來

，但灰色地帶總是存在的，因此，需要科學家乃至全社會團結起來，決定倫理界限和道德尺度，希望不久的將來真正能將胚胎幹細胞技術作為一種創造器官組織並用於移植和治療疾病的有效手段。