人工合成胚胎即將到來，沒有人知道如何處理它們

圖片來源technologyreview

兩年前，邵（Shao）是一名具有生物學天賦的機械工程師。當時他正在研究胚胎幹細胞，這種幹細胞是從人類胚胎中提取出來的，能夠形成任何細胞類型。當他嘗試通過在軟凝膠支架中生長讓細胞形成更有組織的三維結構的方法時，他也在尋找原始神經組織的跡象。

引起他注意的是，這些細胞似乎比預期的變化要快得多，它們在幾天內迅速地將自己排列成一個不對稱的圓圈。

它是什麼？ 邵感到震驚並且在谷歌上搜索了一下，看看他是否能識別出這個結構。當他登陸一個名為「虛擬人類胚胎」網站，輸入後不久他發現了一些融合到子宮壁的人類胚胎的顯微鏡照片，而且是10天大的人類胚胎。這是羊膜囊和胚盤，或未來的身體形成的開始，這些與他所看到的相符。

邵告訴了他的同事，他們是一個由生物學家和工程師組成的混合團隊，在密歇根大學辦公。「當我向團隊展示圖片時，每個人都說：「哇，我們需要弄清楚該怎麼做」邵說。難道他們從幹細胞中獲得了真正的人類胚胎嗎？ 「那時，我們開始變得更加謹慎了。」

研究小組很快發現，這種類似人類胚胎的結構並不完整，也不能成長為一個人。因為他們缺乏製造胎盤、心臟或大腦所需的細胞類型。即便如此，密歇根的「胚胎」已經足夠現實，以至於實驗室用洗滌劑或甲醛液來摧毀它們，以確保它們不會再進一步發展。

密歇根的這項工作是器官類研究更大繁榮的一部分，科學家們正在利用幹細胞製造出越來越像大腦、肺或腸道的細胞群(參見「10項突破性技術:大腦器官組織」)。現在，類似邵的發現說明模仿胚胎本身是可能的。

例如，今年英國劍橋的研究人員通過結合兩種類型的幹細胞，構建了一個令人信服的六日齡小鼠胚胎的複製品。現在，該小組正試圖對人類細胞做同樣的事情，就像其他一些人一樣，包括紐約洛克菲勒大學的一個人。科學家們說，新技術——他們稱之為「合成胚胎學」的出現，讓他們相信，有可能讓他們第一次詳細地探索人類發展引人入勝的開篇章節。

要做到這一點很難，因為正常的胚胎在實驗室里的生長時間不超過一周。在這之後發生的關鍵事件在很大程度上是無法獲得科學研究的。甚至，在大多數女性得知自己懷孕之前，它們就已在人類子宮的黑暗中發生了。

圖為在密歇根大學使用的微流體裝置培養由胚胎細胞製成的組織細胞，每個小藍色通道內可容納10個有機物。

更重要的是，對真正的人類胚胎的研究受到墮胎政治的束縛，法律的限制，僅限於從IVF診所（體外受精診所）獲得供應。現在通過種植胚胎，科學家們發現了一種繞過這些限制的方法。他們已經構思了一整套現代化的實驗室工具——基因編輯，光遺傳學，高速顯微鏡——可以讓他們重複一項實驗數百次，或者用基因魔法可以一次性詢問一千個問題。

來自密歇根團隊一項成果是：一個細胞模仿胚胎自我組織成結構的特寫視頻，這令人激動。「幹細胞擁有這種能力，這太不可思議了，」Jianping Fu說，他是密歇根大學的教授，邵是其工程實驗室的學生之一。Jianping Fu說，帶有胚胎形狀東西的出現以及它的一些特徵，「完全是件意外的事；儘管我還是不敢相信，但這表明這些細胞記住了它們應該做什麼。」

密歇根的科學家們現在已經計劃製造數百種胚胎。這些可用於篩選藥物，以了解哪些原因會導致出生缺陷，幫助其他人找到增加懷孕的機會，或為實驗室生成的器官創建起始材料。但是，這一點上關於道德和政治的爭吵可能並不遙遠。

「這是科學和生物倫理學領域出現的一個熱門新領域。在未來的幾年裡，這一問題似乎仍將受到爭議，」Jonathan Kimmelman說，他是蒙特利爾麥吉爾大學生物倫理部門成員兼幹細胞科學家國際組織的領導人。

培養皿里是什麼?這個問題似乎還沒有答案。事實上，沒有人知道該如何稱呼這些新實體。今年3月，哈佛大學的一個研究小組在一篇論文中提出了一個包羅萬象的「具有胚胎特徵的人工合成人類實體」或稱為SHEEFS，並在一篇論文中警告說，「許多新物種」即將出現，包括現實的迷你大腦。

邵在麻省理工學院繼續他的培訓，深入研究了道德問題，並得出了自己的結論。「在研究早期，我們開始關注為什麼我們要這麼做?」真的有必要嗎?我們決定了，是的。我們正在努力培育一種類似於人類早期胚胎的結構，而這種結構很難去研究。」邵說。「但我們不會產生一個完整的人類胚胎。我不能只考慮我的感受。我必須考慮社會。」

然而，其他科學家則決心要看看科學的發展有多遠，包括從幹細胞中培育出第一個完整的人類胚胎。Ali Brivanlou是一位胚胎學家，他在紐約洛克菲勒大學領導了一個實驗室。在一封電子郵件中他寫道:「我的目標是最大限度地在體外建立人類發展模式。」 「因此，我們希望儘可能準確，儘可能完整。」

塑造

1998年，來自美國威斯康星的科學家們首次從備用的、老舊的體外受精胚胎中分離出了胚胎幹細胞。在早期，胚胎只是一堆相同的、空白的細胞。科學家們的專長是:在體內製造任何其他類型的細胞。隨著對最終醫療的關注，公司已經使用它們來產生對胰島素作出反應的神經元和β細胞。在培養皿中，它們會自發地變成心肌，然後開始跳動。

科學家們已經開始尋找誘導幹細胞形成更複雜、更有組織的（叫做類器官）方法。這些小器官並不是真正的東西。相反，它們的體積比砂粒要小得多，而且往往也不太複雜。但是它們仍然具備一些基本的東西，比如肺的分支氣道和波狀纖毛。去年，研究人員使用腦器官顯示了寨卡病毒是如何感染腦細胞的。

到2014年，這樣的努力開始產生證據，並證明幹細胞可以在胚胎中直接重現早期的活動。Brivanlou的實驗室有一個想法，即在微圖案表面上的微小點內調節幹細胞。包含的這些細胞產生幫助產生了一種令人驚訝的效果。他們形成了一種有組織的「原始條紋」——這是一個兩周齡的人類胚胎所具有的特徵。

那些胚胎不是天然的。它們很薄，生長成一個扁平的薄片，它們的條紋是圓的，而不是真正的胚胎。「但它比我們想像的要好，」Aryeh Warmflash說，他是一名賴斯大學教授，在洛克菲勒工作期間進行了這項實驗。「我們越來越意識到，這些細胞是通過編程來製造胚胎的。這就是他們想要做的。如果細胞處於正確的形狀，在正確的密度下，你給它們正確的信號，細胞就會從那裡接管，它們會互相交談。」

在密歇根州，Fu說他的實驗室與密歇根州的生物學家Deborah Gumicio正在進行合作，在研究機械信號，如在柔軟或粘稠的凝膠中生長的細胞是否可以增強其形成某些組織的能力時，幾乎意外地發現了自己製造胚胎的方法。

作為對照實驗，一個涉及鼓勵腸細胞形成內腔或中空囊腫的實驗，也以相同的方式培養了胚胎幹細胞。這就是「機緣巧合」的時候。幹細胞分化成球形，與羊膜腔的開端相似。「在那之後，我們看到了所有令人著迷的自組織特徵，」Fu說。

道德問題

進一步的測試表明，胚胎只代表了胚胎的一部分。雖然他們有一個羊膜囊，但他們缺乏完整的細胞譜系——滋養細胞，它的作用是製造胎盤。而在構成胚胎的細胞叢中，研究人員只發現了構成完整身體所需的三種關鍵類型中的一種。

當研究小組在8月初公布他們的發現時，他們大多都沒有注意到。這可能是因為科學家們有意地忽略掉了一些話，旨在竭力避免將其與胚胎進行比較。邵甚至使用了「非對稱囊腫」這個詞來形容那些讓團隊感到驚訝的實體。「我們必須小心使用合成人類胚胎這個詞，因為有些人對此並不滿意，」 Fu說。

圖為從幹細胞中產生的「胚胎」與一個真正的人類胚胎共享關鍵特徵，比如羊膜囊，但缺乏其他元素。

目前，美國和英國的科學家們使用自然人類胚胎來觀察其行為的方式被稱為「14天法則」。這是因為，沒有人類的胚胎在形成兩周後，或在原始條紋形成後才被研究。在這之前，根據1984年「Warnock報告」，沒有人認為這些胚胎會有任何感覺，並且認為它們「無法感受到痛苦」。

幾十年來，這條規則提供了一條方便而清晰的路線。同樣的限制也適用於胚胎，至少現在是這樣。為了遵循Kimmelman國際幹細胞協會去年公布的指導方針，Fu的團隊在5天之後就摧毀了細胞。這樣做防止了生物倫理學家所稱的「關注的特性」的出現——比如原始神經系統。

但是科學家們已經準備好爭辯說他們的結構不是真正的胚胎，他們應該能夠達到極限。一些專家呼籲廢除這一規定，稱它已經過時了。John Aach是哈佛醫學院的一名科學家，他認為需要全新的道德測量棒來幫助指導類器官的測試。例如，在實驗室里長大的迷你大腦會感到痛苦嗎？我們對胚胎的定義能否經得起實驗室新證據的檢驗？Aach說:「所有偉大的科學進步都有一種方式，即讓人們對共同概念的不精確性進行揭露，迫使人們重新思考它們。」

甚至在邵的論文發表之前，今年在波士頓舉行的一場會議上他還是一名道德專家，包括Insoo Hyun，後者是凱斯西大學的一名教授。Hyun覺得邵這位年輕的研究人員是安全的，因為他的結構不包含胚胎的每一部分。Hyun說:「我認為他們應該設計實驗，專註於特定的問題，而不是模型一切。」「我的建議是，不要做所有的事情。」一個團隊可以製造引擎，另一個團隊可以製造輪子。你在做的事情越清晰，你就越有可能不受阻礙地進行研究。」

還有另一個需要謹慎的理由。根據一項名為迪基-柳條修正案的法律，美國目前禁止聯邦資助任何對胚胎的研究。

雖然目前的胚胎似乎並沒有受到法律上的限制，但如果科學家讓它們足夠現實的話，限制可能就會出現。在回答書面問題時，美國國立衛生研究院的科學政策辦公室表示，它有一個內部流程，用於分析撥款，並確定「擬議的研究是否會創造出符合人類胚胎法定定義的有機體」。該機構是一家規模為33億美元的資助機構。

密歇根大學的科學家們說，其項目使用了兩項NIH撥款的資金，到目前為止該機構的官員迄今尚未提出任何異議。目前，這些胚胎在用透明質和金屬製成的盒子里存活和死亡，並被培養基餵養。Hyun說:「由於這些實體的組件非常複雜，我認為你們將能夠證明這些不是生物體。」這一點也是邵想要強調的。當邵介紹今年的小組工作時，他在幻燈片添加了一個道德聲明，稱胚胎「不具有人類生物體的形式或潛力」。

但這樣的定義可能是一個移動目標。因為整個結構的重點是令人驚訝的，自我導向的，甚至是有機體發展方式的Robert Cork是虛擬胚胎項目的負責人，該項目維保留了密歇根團隊用來識別其結構的圖像。當我問他關於邵的論文時，Cork告訴我，如果實驗被允許，這些胚胎可能會繼續製造一些他們目前缺失的研究部分。Cork還說:「這將表明，如果他們能使囊腫存活的時間更長，那麼囊腫可能會繼續發展成為更像胚胎的東西。」

高通量

Jianping Fu是密歇根大學的機械工程教授

Fu說其Ann Arbor實驗室的下一步是完善製造具有特定特徵胚胎的程序，並同時擴大胚胎的數量。最初，密歇根科學家每增加100個「囊腫」，只有5個出現了不對稱的形狀，讓人聯想到了羊膜囊。但他們已經學會了如何讓這種形狀每次都出現。Fu預計，胚胎的生產將成為「可編程和可擴展的」。

可以對胚胎樣品進行藥物檢測，例如可標記任何具有毒性作用並引起出生缺陷的藥物。Fu的希望是，合成胚胎學最終可能會幫助工程師培養完整的人體器官。「我不是在談論沒有大腦的人體。 但真正有可能的是，可以開發一個迷你腸道或迷你肝臟，因為胚胎也會發育他們。如果你有原始器官，他們可以成長為一個功能性的器官，「Fu預測。實驗室已經開始在一個晶元大小的晶元上種植胚胎。蝕刻在裡面的是6個微通道，每一個都能容納10個這樣的實體，它們懸浮在水凝膠中，並在微型桶中儲存營養。傅將其稱為「高吞吐量製造」。

這樣，他說，「一切都可以被觸發和控制。」

原創編譯：梓色揚光

來源：technologyreview

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