人體外受精（in vitro fertilization, IVF）已經(jīng)有40年的歷史了，但我們?nèi)匀徊煌耆私馊绾未_保健康胚胎的生成，并防止在體外培養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)不希望的遺傳或表觀遺傳變化。一旦胚胎被移植到子宮中繼續(xù)妊娠，就難以對(duì)之后的胚胎發(fā)生和胎盤(pán)形成的初始階段進(jìn)行研究。早期發(fā)育中的錯(cuò)誤可能導(dǎo)致植入問(wèn)題，胎兒缺陷和胎盤(pán)不足，導(dǎo)致早期妊娠中止。小鼠研究為早期胚胎發(fā)育的主要遺傳和表觀遺傳事件提供了線索。但小鼠和人類(lèi)之間存在顯著的形態(tài)和遺傳差異，這使得跨物種比較的研究非常棘手。最近的一些實(shí)驗(yàn)方法，包括直接使用人類(lèi)胚胎或胚胎干細(xì)胞，以及非人靈長(zhǎng)類(lèi)胚胎，為研究早期人類(lèi)胚胎的發(fā)育開(kāi)辟了新的途徑。

最近對(duì)早期人類(lèi)胚胎的單細(xì)胞基因表達(dá)（RNA測(cè)序）分析提供了發(fā)育進(jìn)程的分子時(shí)間過(guò)程。通過(guò)這種方法，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)展囊胚（胚胎期第5天（E5）空化囊胚）中的三種不同的細(xì)胞譜系：外滋養(yǎng)層（outer trophectoderm, TE）、外胚層（epiblast, EPI）和封閉內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（enclosed inner cell mass, ICM）的原始內(nèi)胚層（primitive endoderm, PrE）（圖1）。雖然許多細(xì)胞譜系標(biāo)志物，如CDX2（caudal-type homeobox protein 2）、POU5F1（POU domain, class 5, transcription factor 1）和SOX17（SRYbox 17）在小鼠胚胎發(fā)育中保守表達(dá)，不過(guò)表達(dá)時(shí)間有差異。在人類(lèi)中，在擴(kuò)大囊胚階段之前不易通過(guò)轉(zhuǎn)錄譜分離這三種細(xì)胞譜系，但在小鼠中，在囊胚空化形態(tài)學(xué)事件之前ICM和TE的轉(zhuǎn)錄譜是不同的，因此是可以分離的。在小鼠中，囊胚的外層細(xì)胞會(huì)分化成32細(xì)胞階段胚胎中的TE細(xì)胞。相比之下，完全發(fā)育的人類(lèi)囊胚的TE細(xì)胞仍然能夠再生整個(gè)囊胚。這些觀察結(jié)果表明，人類(lèi)胚胎的譜系分離發(fā)生在囊胚形成后，而小鼠的譜系分離是逐漸進(jìn)行的。

圖1 體外培養(yǎng)12天后的人類(lèi)囊胚模擬了移植后發(fā)育的細(xì)胞層。

如果這個(gè)結(jié)論屬實(shí)，那么就意味著小鼠和人類(lèi)之間的譜系分離差異對(duì)驅(qū)動(dòng)譜系分化的上游信號(hào)事件的跨物種比較有影響。例如，在囊胚形成之前小鼠胚胎的外部和內(nèi)部細(xì)胞之間Hippo信號(hào)傳導(dǎo)的差異在引導(dǎo)ICM分化成TE過(guò)程中起重要作用。然而，在人類(lèi)中，是否存在相同的途徑則尚不清楚。此外，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblast growth factor, FGF）信號(hào)傳導(dǎo)的差異是引導(dǎo)小鼠ICM分化成EPI和PrE的關(guān)鍵，但阻斷人類(lèi)胚胎中的FGF信號(hào)傳導(dǎo)并不影響PrE的形成，這表明其它信號(hào)通路可能與此譜系決定相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)的意義在于，需要提供體外關(guān)鍵信號(hào)條件以確保IVF胚胎的正確發(fā)育。

直接評(píng)估早期胚胎中的基因功能可以確定小鼠和人類(lèi)之間的差異的重要性，但是直到CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)出現(xiàn)后，科學(xué)家才能完成這類(lèi)實(shí)驗(yàn)。少數(shù)幾個(gè)區(qū)域允許在早期人類(lèi)胚胎中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性基因編輯，以探索基因功能和生殖細(xì)胞基因矯正對(duì)遺傳疾病的治療效果。人類(lèi)胚胎中POU5F1的基因編輯實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該基因被敲除的突變胚胎無(wú)法發(fā)育到囊胚階段。這表明相比于小鼠，POU5F1在人類(lèi)發(fā)育的更早階段發(fā)揮了作用。

盡管直接在IVF條件下培養(yǎng)的人類(lèi)胚胎中研究囊胚階段之前的早期發(fā)育是可行的，但是胚胎植入后的發(fā)育研究就需要新的技術(shù)。最近，科學(xué)家已經(jīng)在2D培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)出了囊胚，并達(dá)到了EPI、羊膜和卵黃囊形成的初始階段。盡管這些培養(yǎng)的胚胎組織結(jié)構(gòu)不佳，并且未能在10到12天后繼續(xù)發(fā)育，但通過(guò)改善細(xì)胞外基質(zhì)和培養(yǎng)條件可以支持人類(lèi)胚胎發(fā)育至下一個(gè)里程碑階段——原腸胚E14形成。目前這類(lèi)實(shí)驗(yàn)并未開(kāi)展，因?yàn)槿驇缀跗毡榻古囵B(yǎng)14天以上的完整人類(lèi)胚胎。14天標(biāo)志著神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的開(kāi)始。鑒于14天以上的培養(yǎng)有可能為早期發(fā)育的關(guān)鍵事件提供新的見(jiàn)解，目前監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在就是否應(yīng)該重新審議14天規(guī)則問(wèn)題進(jìn)行討論。

鑒于對(duì)人類(lèi)胚胎培養(yǎng)的倫理?yè)?dān)憂以及體內(nèi)植入后發(fā)育階段研究的不可獲得性，科學(xué)家在考慮使用替代模型來(lái)開(kāi)展人類(lèi)早期發(fā)育的研究。人類(lèi)和非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)胚胎的形態(tài)特征之間非常相似（圖2）。對(duì)食蟹猴（cynomolgus monkey）移植后胚胎的研究揭示了羊膜形成、滋養(yǎng)細(xì)胞發(fā)育（形成胎盤(pán)）、生殖細(xì)胞形成和原腸胚形成過(guò)程的細(xì)節(jié)，以及支持這些事件的一些關(guān)鍵基因表達(dá)的時(shí)間和空間位置。盡管非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的胚胎可能適合進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，并且可能用于基因修飾實(shí)驗(yàn)，但這些研究在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，并且還伴隨著動(dòng)物倫理和護(hù)理問(wèn)題。此外，非人靈長(zhǎng)類(lèi)胚胎在多大程度上可以被認(rèn)為是人類(lèi)胚胎實(shí)驗(yàn)的替代物還存在疑問(wèn)。

最近，已有研究表明培養(yǎng)人多潛能胚胎干細(xì)胞（embryonic stem, ES）可以產(chǎn)生胚胎樣結(jié)構(gòu)（胚狀體）。在人類(lèi)多潛能胚胎干細(xì)胞的微模式培養(yǎng)（micropatterned culture）中，2D細(xì)胞類(lèi)型和相關(guān)基因表達(dá)譜都與小鼠胚胎胚層中的有序模式類(lèi)似。這些模式的構(gòu)造并不能完全重現(xiàn)原腸胚標(biāo)志性的3D結(jié)構(gòu)。相反，3D基質(zhì)中多潛能干細(xì)胞的培養(yǎng)可以產(chǎn)生能重現(xiàn)EPI和羊膜形成的胚狀體結(jié)構(gòu)。

在小鼠中，3D培養(yǎng)的ES細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生類(lèi)原腸胚結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)不僅具有EPI，而且還有局部化的原始條紋狀結(jié)構(gòu)和前-后組織模式（胚胎發(fā)育中前側(cè)和后側(cè)細(xì)胞會(huì)分化成不同的細(xì)胞譜系），這是原腸胚階段胚胎的獨(dú)特特征。在沒(méi)有胚外組織（如滋養(yǎng)層和PrE）的情況下發(fā)育到這種組織程度是非常有意義的，因?yàn)榕咄饨M織通常會(huì)提供局部信號(hào)以引導(dǎo)細(xì)胞定向分化。此外，聯(lián)合培養(yǎng)ES細(xì)胞和滋養(yǎng)層干細(xì)胞（trophoblast stem, TS）可以模擬一些胚胎-胚外組織的相互作用，并且能夠產(chǎn)生類(lèi)似于囊胚的類(lèi)囊胚和類(lèi)似于原腸胚前胚胎的類(lèi)胚體。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了人類(lèi)ES細(xì)胞和人類(lèi)TS細(xì)胞的聯(lián)合培養(yǎng)可能為人類(lèi)發(fā)育提供近似度較高的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，迫切需要解答的問(wèn)題是：這些胚胎樣結(jié)構(gòu)的發(fā)育是否足夠類(lèi)似人體胚胎的體內(nèi)發(fā)育，這些模型得到的結(jié)果是否與早期人類(lèi)發(fā)育具有科學(xué)上的相關(guān)性。未來(lái)需要直接對(duì)人類(lèi)胚胎進(jìn)行研究，以建立一個(gè)發(fā)育研究的范例，以作為這些胚胎樣實(shí)體發(fā)現(xiàn)的評(píng)估依據(jù)。

圖2 胚胎發(fā)育的實(shí)驗(yàn)研究。

人類(lèi)胚胎學(xué)研究的目標(biāo)是獲取關(guān)于早期人類(lèi)發(fā)育的細(xì)胞和分子機(jī)制的基礎(chǔ)知識(shí)，并促進(jìn)其在生殖技術(shù)、基因編輯、干細(xì)胞研究和預(yù)防遺傳性出生缺陷方面的應(yīng)用。雖然這些知識(shí)最好從研究人類(lèi)胚胎上獲得，但人體IVF胚胎研究必須遵守關(guān)于“適度”和“同意”的倫理、法律和實(shí)踐原則。許多管轄區(qū)禁止以研究為目的地去創(chuàng)造胚胎，這其實(shí)也禁止了某些實(shí)驗(yàn)的可行性，例如受精和合子形成前的生殖細(xì)胞基因編輯。未來(lái)，干細(xì)胞衍生的胚胎樣結(jié)構(gòu)或許足以取代人類(lèi)胚胎，成為人類(lèi)發(fā)育研究的模型系統(tǒng)，為人類(lèi)早期發(fā)育提供最有用的見(jiàn)解。

隨著用于產(chǎn)生干細(xì)胞衍生的胚胎樣結(jié)構(gòu)的技術(shù)提高，這些生物構(gòu)建體將更接近人類(lèi)胚胎。這就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：這些實(shí)體是否會(huì)受到與人類(lèi)胚胎一樣的道德限制？體外發(fā)育的14天限制是否會(huì)應(yīng)用于這些胚胎樣培養(yǎng)物？14天規(guī)則的胚胎學(xué)知識(shí)是基于人類(lèi)胚胎的罕見(jiàn)數(shù)據(jù)和小鼠發(fā)育和形態(tài)學(xué)研究總結(jié)得出的，而不是基于人類(lèi)胚胎的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。如果人類(lèi)類(lèi)胚胎和原腸胚可以在14天后繼續(xù)發(fā)育，那么14天規(guī)則可能就毫無(wú)意義，并且限制了相關(guān)研究的進(jìn)展。因此，在考慮是否維持或修改14天規(guī)則之前，為了測(cè)試科學(xué)價(jià)值以及倫理和法律實(shí)用性，必須對(duì)人類(lèi)早期胚胎發(fā)育和替代性的胚胎學(xué)模型進(jìn)行嚴(yán)格控制的研究。
 

原文檢索：
Janet Rossant and Patrick P. L. Tam. (2018) Exploring early human embryo development. Science, 360: 1075-1076. 
張潔/編譯