【環(huán)球科技】

    在日本九州大學(xué)生殖生物學(xué)家林克彥（Katsuhiko Hayashi）的實驗室里，小鼠在籠子里竄來竄去，看起來平平無奇。它們奔跑、進(jìn)食、睡覺，跟其他同類完全一樣。但是，這11只嚙齒類動物的來歷很不尋常。兩年前，林克彥在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，這些黃褐色小鼠并非來自精子和卵子結(jié)合，它們的母系血統(tǒng)源于重編程的皮膚細(xì)胞。

    如此令人驚異的實驗成功意味著，或許有朝一日，人類能只用血液和皮膚細(xì)胞，就能孕育出一個新生命，而這對于由于某種原因不能自己生孩子但強(qiáng)烈渴望孩子的家庭或個人來說，無疑是個大福音。

1.神奇的干細(xì)胞

    林克彥的小鼠實驗進(jìn)展之所以令其他研究人員贊嘆不已，是因為它實現(xiàn)了科學(xué)家在1997年誕生的一個設(shè)想。當(dāng)時，科學(xué)家在20世紀(jì)70年代的青蛙克隆工作的基礎(chǔ)上，成功克隆了多利羊，并使人們認(rèn)識到，每個動物細(xì)胞都有一套相同的基本指令。通過把綿羊的乳腺細(xì)胞轉(zhuǎn)化成一頭活體動物，多利的創(chuàng)造者們證明，每一個哺乳動物細(xì)胞都有相同的基因，乳腺細(xì)胞與其他細(xì)胞的不同之處僅僅在于哪些基因可以表達(dá)，哪些不能表達(dá)。

    對于林克彥和其他科學(xué)家來說，克隆羊研究開創(chuàng)了一個干細(xì)胞生物學(xué)的新領(lǐng)域，他們設(shè)想，只要設(shè)計出正確的實驗流程，就能將哺乳動物細(xì)胞重編程，使其轉(zhuǎn)變成任何一種細(xì)胞，比如神經(jīng)元或者卵子。世界上有一些研究人員，包括林克彥在內(nèi)，正在循著這一思路，實現(xiàn)體外配子形成（gametogenesis）——用成體細(xì)胞產(chǎn)生卵子和精子。

    生殖科學(xué)家和一些生育困難的夫妻密切關(guān)注著林克彥的進(jìn)展，以及類似的科研工作，例如有研究者成功把嚙齒類動物干細(xì)胞（一種祖細(xì)胞，能夠發(fā)育成任何類型的特化細(xì)胞）轉(zhuǎn)化成未成熟的精子。如果這類制造卵子和精子的技術(shù)能夠在人類身上奏效，那么我們就可以用血細(xì)胞和皮膚細(xì)胞取代有缺陷的生殖細(xì)胞。在這種情況下，男性不用為缺乏健康的精子煩惱。女性也不用為30歲后生育能力下降而發(fā)愁，事實上任何年紀(jì)的女性都可以用少量血液得到一群卵子。而不論性別的兩個人或許有朝一日也可擁有與兩者都存在血緣關(guān)系的孩子。

    這樣的未來令人向往，但仍相當(dāng)遙遠(yuǎn)。多年來，研究者一直在動物實驗中為卵子和精子這兩種多數(shù)哺乳動物繁殖必需的細(xì)胞尋找可靠替代品，但結(jié)果讓人失望。即便是這些在小鼠身上進(jìn)行的非常初步的實驗，已經(jīng)導(dǎo)致科學(xué)界針對其最終在人類身上的應(yīng)用提出了諸多倫理問題。

2.在實驗室中培育卵細(xì)胞

    為了確保這種生殖方式在小鼠身上取得成功，林克彥的團(tuán)隊需要把一些之前的研究成果結(jié)合起來。2010年，他們開始嘗試點擊細(xì)胞的“復(fù)位”按鈕，讓它們回到分化之前的狀態(tài)。他們的第一步是重復(fù)2012年諾貝爾獎得主、日本京都大學(xué)的山中伸彌（Shinya Yamanaka）開發(fā)的一套流程。

    首先，研究人員從成年小鼠尾巴上刮下皮膚細(xì)胞。然后向細(xì)胞注射一種化學(xué)混合物，其中含有4種特殊基因，能把成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榕咛ジ杉?xì)胞（胚胎中的早期細(xì)胞）。接下來，他們采用了本世紀(jì)初期阿齊姆·蘇拉尼（Azim Surani）和齋藤通紀(jì)（Mitinori Saitou）的遺傳學(xué)研究成果——前者現(xiàn)任職于英國戈登研究所，后者當(dāng)時在蘇拉尼實驗室工作，他們都曾是林克彥的導(dǎo)師。在這項研究的幫助下，林克彥的團(tuán)隊弄清楚了哪些基因是誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞分化為卵子的前身——原始生殖細(xì)胞的關(guān)鍵。

    這里有個問題：原始生殖細(xì)胞既能夠發(fā)育成精子，也能成為卵子，它仍然像典型的動物細(xì)胞一樣，有兩套染色體。而生殖細(xì)胞只含有一套染色體，要么來自父親，要么來自母親，生殖細(xì)胞形成過程中必須經(jīng)過兩次減數(shù)分裂。對于雌性來說，第一次細(xì)胞分裂發(fā)生于胚胎時期，也就是原始生殖細(xì)胞遷移進(jìn)入生殖系統(tǒng)時。第二次分裂發(fā)生在排卵期，此時在激素的作用下卵子最終發(fā)育成熟。在得到原始生殖細(xì)胞后，林克彥等人將它們放回小鼠體內(nèi)，完成了卵子發(fā)育——這是當(dāng)時技術(shù)所能做到的極致。然而，想在培養(yǎng)皿中產(chǎn)生有活力的卵子，研究人員必須了解并重建卵子發(fā)育途徑中的每一個步驟。

    科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，成功的關(guān)鍵在于更小心地模擬自然狀態(tài)。他們花費(fèi)了多年時間，調(diào)整培養(yǎng)基配方，讓轉(zhuǎn)化而來的卵細(xì)胞能在其中生長。當(dāng)林克彥團(tuán)隊在培養(yǎng)基中加入了取自其他小鼠胚胎的卵巢細(xì)胞時，實驗取得了重大突破。這些細(xì)胞分泌出激素混合物，實質(zhì)上創(chuàng)造了一個類似卵巢的環(huán)境，讓細(xì)胞誤以為自身還在體內(nèi)。此外，科學(xué)家還改變了培養(yǎng)基流體的黏度，來模擬小鼠體內(nèi)的流體環(huán)境。

    在獲得了正確的培養(yǎng)基，成功地在實驗室中培養(yǎng)出卵細(xì)胞后，研究者的下一個步驟就和一般的體外受精很相似了。研究人員首先讓成熟卵子和普通的小鼠精子在實驗室中結(jié)合。幾天之后，他們用微小移液管移出發(fā)育良好的胚胎，把它們注射到母鼠體內(nèi)發(fā)育20天。最后，在經(jīng)歷流產(chǎn)、胚胎不能植入、死胎等多次失敗之后，終于得到了一只健康的幼鼠，后來又得到了10只。

    不過，這個方法還遠(yuǎn)不夠完善。在林克彥團(tuán)隊長達(dá)5周的卵細(xì)胞培育過程中，幾百個干細(xì)胞中只有16個存活下來。接下來的步驟也充滿危險。當(dāng)科學(xué)家用實驗室培育出的卵子與精子結(jié)合時，只有1%由皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化來的卵子最終能夠變成健康的幼鼠（而從成年小鼠體內(nèi)取出卵子進(jìn)行體外受精的成功率是62%）。但是科學(xué)家證明了該方法是可行的。那11只幼鼠正常而健康地生長。它們甚至能夠交配，生出自己的幼鼠。

3.治療不孕不育

    很多人需要輔助生殖技術(shù)。在美國，超過10%的男性，以及類似比例的女性被診斷為不孕不育。解決這類問題的方法非常費(fèi)事，還常常失敗。比如，做試管嬰兒需要女性接受1~2周的激素注射，排出多個卵子，之后再讓少數(shù)卵子在實驗室中受精，然后選擇1~2個植入女性子宮。做試管嬰兒非常昂貴，費(fèi)用動輒高達(dá)2萬美元，而且還有大約65%的體外受精會失敗，通常是由于卵子質(zhì)量不高。另外，對于那些沒有健康卵子或精子的患者，試管嬰兒的方式也無能為力。

    顯而易見，利用人體血細(xì)胞或者皮膚細(xì)胞來孕育孩子是一個誘人的選擇。醫(yī)生可以提取一小管女性的血液，而不是提取她的卵細(xì)胞。林克彥說，盡管其他細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化成卵子，但是在醫(yī)療過程中抽血是很常見的，可能比皮膚細(xì)胞更容易利用。

    科學(xué)家能在實驗室中把血細(xì)胞轉(zhuǎn)化成干細(xì)胞，然后通過一些步驟把它變成卵子或精子。接下來，人造的卵子與正常精子結(jié)合，反之亦然，再用與試管嬰兒相同的方法植入女性體內(nèi)，讓孩子具有來自父親和母親的遺傳特征，就跟正常受孕的孩子一樣。

    林克彥表示，目前這個方法要用于人類，風(fēng)險仍過大，除非科學(xué)家創(chuàng)造的卵子可以像自然卵子一樣大多數(shù)都能生成健康的胚胎。首先，研究人員必須證明，他們能在實驗室里長時間維持卵子活性，不能短于人類卵子發(fā)育所需的時間。（小鼠的卵細(xì)胞在5天內(nèi)成熟，而人類女性的卵細(xì)胞大約需要30天才能成熟。）但是，在生殖科學(xué)家對人類細(xì)胞開展這種研究之前，他們必須確定該方法對于更接近人類的大型動物也是可行的。

4.靈長類動物實驗

    為了攻克這個難題，林克彥的團(tuán)隊已經(jīng)選擇了絨猴開展靈長類動物實驗。但是，前進(jìn)路上有幾個較大的絆腳石。小鼠是很好的實驗對象，因為它們5天排卵一次，懷孕20天就能生下幼鼠。而狨猴孕期至少140天，所以，就算所有的工作都不出差錯，要想得到幼猴也需要很長時間。狨猴的原始生殖細(xì)胞發(fā)育成卵子所需的時間也比小鼠長得多，林克彥的團(tuán)隊還沒有找到適當(dāng)?shù)膶嶒炇噎h(huán)境，讓細(xì)胞能夠長時間維持活性。

    在嚙齒類動物實驗中，研究人員學(xué)會了如何在體外誘導(dǎo)小鼠的原始生殖細(xì)胞發(fā)育成熟，但這個過程需要小鼠胚胎中的卵巢細(xì)胞的輔助。為了確保猴子原始生殖細(xì)胞的存活和發(fā)育，并擴(kuò)大實驗規(guī)模，從而得到更多卵子，林克彥認(rèn)為，不但要向培養(yǎng)皿中加入卵巢細(xì)胞，更重要的是識別出可發(fā)送關(guān)鍵信號、促使卵子發(fā)育成熟的特殊卵巢細(xì)胞，并且還要用干細(xì)胞制造出這類卵巢細(xì)胞。這樣一來，在下一個階段的研究中，就可以直接培育出所有的必要成分，無須從其他胚胎提取卵巢細(xì)胞。

    目前在戈登研究所主管生殖細(xì)胞系和表觀基因組研究的蘇拉尼，是這個領(lǐng)域的先行者。為了促進(jìn)生殖細(xì)胞的成熟和通信，他也嘗試過不同關(guān)鍵輔助細(xì)胞的組合。“（生殖）細(xì)胞實際上經(jīng)歷了一個特定階段，它們需要非常特殊的條件，比如信號或環(huán)境等因素的改變，幫助它們突破到另一個階段?！碧K拉尼解釋道。他和他的團(tuán)隊一直在推測，在這個過程中哪些細(xì)胞的作用格外重要，但這是一個緩慢而艱苦的工作。為了指導(dǎo)下一步工作，現(xiàn)在他們正研究人類流產(chǎn)胎兒，以尋找卵子成熟的每一步線索。蘇拉尼的實驗室已經(jīng)把實驗對象從小鼠換成了豬，因為豬的發(fā)育與人類更相似，而且用豬做實驗也比猴子更便宜。

    除了調(diào)整實驗室的細(xì)胞培養(yǎng)方式，可能還有另外的方法可以促進(jìn)這個進(jìn)程。一些研究人員認(rèn)為，盡快把人造細(xì)胞植入體內(nèi)，借助身體自帶的質(zhì)量控制系統(tǒng)消滅有缺陷的生殖細(xì)胞，為合格的細(xì)胞留下更多資源，將獲得更好的結(jié)果。美國蒙大拿州州立大學(xué)的干細(xì)胞科學(xué)家勒妮·雷約·佩拉在精子研究中采取了這種方法。在自然情況下，只有最健壯的精子才能存活下來，讓卵子受精，但是，在培養(yǎng)皿中發(fā)育成熟的精子沒有經(jīng)過這種競爭，增加了缺陷精子與卵子結(jié)合的可能。由于人類身體能巧妙地清除劣質(zhì)精子，佩拉的工作重心是制造可以在睪丸中發(fā)育成熟的精子原始細(xì)胞?！拔覀冋J(rèn)為，身體應(yīng)該會做出選擇。而在培養(yǎng)皿中，我擔(dān)心在人工干預(yù)下，細(xì)胞經(jīng)歷的過程與自然條件下是不同的?！?/p>

    不管科學(xué)家多么小心，還是有批評聲音認(rèn)為，人造的卵子和精子不能用來孕育生命。比如馬西·達(dá)諾夫斯基就認(rèn)為，實驗室培育的生殖細(xì)胞不可能足夠安全，不應(yīng)冒這樣的風(fēng)險。達(dá)諾夫斯基是美國遺傳學(xué)與社會中心的執(zhí)行主任，這是一個致力于讓人類遺傳技術(shù)得到正確應(yīng)用的公益機(jī)構(gòu)。她表示，她完全支持針對人類和動物發(fā)育的研究，但利用改造過的卵子和精子創(chuàng)造新生命，尤其是人類，是不應(yīng)該越過的底線?！拔艺J(rèn)為，任何通過這種方式出生的孩子都有非常大的生物學(xué)風(fēng)險，”她引用了哺乳動物克隆的例子：很多克隆胚胎不能發(fā)育，有些克隆動物出生時就伴有嚴(yán)重的健康問題。達(dá)諾夫斯基相信，必須制訂公共政策，確保林克彥、蘇拉尼、雷約·佩拉等人追求的科學(xué)進(jìn)展不會越界。

    也有人擔(dān)憂，這種方法可能意味著“為人父母”的概念面臨沖擊。例如，如果任何人的細(xì)胞都能被轉(zhuǎn)化成精子或卵子，這是否預(yù)示未來能用同一個人的細(xì)胞生成精子和卵子，生出一個“單親”孩子？會不會有人從餐巾紙或者床上收集到其他人脫落的皮膚細(xì)胞，然后在未得到對方允許或?qū)Ψ綁焊恢榈那闆r下生出一個孩子？除此之外，正如哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院院長喬治·戴利和同事去年在《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》上所寫的那樣，這些技術(shù)能以此前難以想象的規(guī)模制造胚胎，無形中讓人類生命貶值，同時也給相關(guān)政策帶來了難以應(yīng)付的挑戰(zhàn)。

    研究人員說，倫理方面的擔(dān)憂至今仍制約著與人類相關(guān)的體外配子生成研究，研究經(jīng)費(fèi)也一直維持在最低狀態(tài)。有關(guān)胚胎的研究在美國長期受到限制。盡管奧巴馬政府對干細(xì)胞研究表示出比前任更友好的態(tài)度，許多人預(yù)計在特朗普任內(nèi)，美國政府應(yīng)該會走回頭路。在其他國家也是如此，按照蘇拉尼和英國利茲大學(xué)的海倫·皮克頓的說法，由于相關(guān)研究經(jīng)費(fèi)很少，想得到自然胚胎的組織樣本很困難，這給研究帶了額外的障礙。林克彥說，在他的祖國日本，要從事人類生殖細(xì)胞研究十分困難。（日本法律禁止讓人類生殖細(xì)胞受精，即使是出于研究目的。）但是，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的干細(xì)胞科學(xué)家雅各布·漢納說，他感到研究環(huán)境比較寬松，因為該國的文化氛圍導(dǎo)致人們對促進(jìn)生殖的技術(shù)有興趣。

5.倫理難題

    但是科學(xué)家說，即便永遠(yuǎn)也不用來孕育人類嬰兒，單純追求制造出卵子和精子的目標(biāo)也是非常有意義的。這樣的研究能夠幫助我們治療不孕不育、認(rèn)識早期發(fā)育和探明毒素對人類遺傳的影響?！斑@是一次發(fā)現(xiàn)之旅?！睂９ヂ殉采韺W(xué)和生殖學(xué)的皮克頓指出。例如，找到識別高質(zhì)量卵子和精子的方法，有助于改善試管嬰兒的選擇過程。而在不斷改進(jìn)配子制造方法的過程中，我們將第一次實時觀察到細(xì)胞出錯導(dǎo)致疾病、出生缺陷或細(xì)胞死亡的真實情況。

    了解如何把皮膚或者血液細(xì)胞轉(zhuǎn)化成卵子和精子，也有助于科學(xué)家研究表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象——不是基因發(fā)生了變化，而是基因表達(dá)有所改變。理解精子和卵子形成早期的發(fā)育過程，可以讓我們搜索這些細(xì)胞中的甲基或其他累積在基因中的變化。目前，研究者發(fā)現(xiàn)某些性狀變化能在遺傳學(xué)基礎(chǔ)沒有改變的情況下傳給后代，這背后的機(jī)制是個研究的重點。例如，2016年的一項研究發(fā)現(xiàn)，納粹大屠殺的幸存者在那場浩劫數(shù)年之后生下的孩子，與應(yīng)激激素調(diào)節(jié)相關(guān)的基因區(qū)域出現(xiàn)了表觀遺傳變化。那些基因沒有變化，但基因表達(dá)的方式卻傳遞給了后代。蘇拉尼指出，用干細(xì)胞培育卵子和精子，能讓科學(xué)家深入研究這種表觀遺傳過程，也能幫助我們認(rèn)識與衰老相關(guān)的疾病，這些疾病往往是由表觀遺傳標(biāo)記物的積累造成的。如果找到了在生殖細(xì)胞發(fā)育過程中抹去表觀遺傳標(biāo)記的新方法，甚至可能為衰老相關(guān)疾病的治療提供新思路。

    蘇拉尼現(xiàn)在正研究細(xì)胞的能量工廠線粒體在卵子形成過程中起了怎樣的作用。線粒體在生殖過程中要經(jīng)歷一個選擇矯正過程，因為孩子只能從母親一方得到線粒體的遺傳物質(zhì)。在線粒體中校正缺陷的程序目前尚不清楚，但是蘇拉尼希望，通過研究生殖細(xì)胞如何修復(fù)缺陷，他和他的團(tuán)隊能學(xué)到很多有關(guān)細(xì)胞能量和相關(guān)疾病的知識?！把刂@條路，我們能收獲大量知識，對人類健康產(chǎn)生重大影響。”他說。

    林克彥希望，這項工作將有利于搶救和恢復(fù)幾乎滅絕的物種，比如白犀牛。通過提高對配子形成過程的認(rèn)識，研究人員能更好地處理很可能滅絕的物種。他正試圖在白犀牛細(xì)胞上復(fù)制小鼠細(xì)胞研究，但是進(jìn)展很緩慢。除不同物種生殖過程存在諸多差異之外，等待時間也長得多。小鼠懷孕期是20天，而白犀牛的懷孕期是16個月。

    林克彥在講座中提及白犀牛相關(guān)研究時，所有人都很高興。但是，當(dāng)他提到，同樣的研究會在人類身上進(jìn)行時，“一些人非常懷疑，有些人感到十分恐慌”。林克彥理解他們的擔(dān)憂。在人類干細(xì)胞成功轉(zhuǎn)化成有用的卵子和精子前，大量人類的生殖細(xì)胞和胚胎將被浪費(fèi)，而即便是有活性的配子也存在導(dǎo)致出生缺陷的風(fēng)險。

    佩拉相信，研究這項技術(shù)在人類身上的應(yīng)用是符合倫理的，而且，如果足夠安全，甚至可以使用它來孕育人類。她本人是一個癌癥幸存者，也是不孕癥患者，她相信幫助人們擁有自己的孩子，理應(yīng)得到倫理上的支持。

    但是棘手的問題依然存在，例如什么是安全標(biāo)準(zhǔn)和由誰決定安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)科學(xué)家開發(fā)出其他有爭議的技術(shù)時，比如試管嬰兒和基因編輯CRISPR系統(tǒng)，研究人員、倫理學(xué)家和公眾一同參與的正式會議，有助于為其潛在應(yīng)用制定建議和指導(dǎo)方針。研究人員和倫理學(xué)家強(qiáng)調(diào)，對體外配子生成可能也需要這么做。此外，這些交流應(yīng)該在技術(shù)應(yīng)用于人類身上之前進(jìn)行?！霸隗w外配子生成技術(shù)最終應(yīng)用于人體之前，應(yīng)該告知全社會這項技術(shù)會帶來的沖擊，并保持積極的公開對話來討論相關(guān)的倫理問題。”戴利和同事在2017年1月發(fā)表的論文中寫到，“隨著科學(xué)和醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，生殖和再生醫(yī)學(xué)的迅速轉(zhuǎn)化將使我們大吃一驚?！?/p>