Science：新方法揭秘人類早期胚胎髮育
人體外受精（in vitro fertilization, IVF）已經有 40 年的歷史了，但我們仍然不完全了解如何確保健康胚胎的生成，並防止在體外培養過程中出現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妊娠，就難以對之後的胚胎髮生和胎盤形成的初始階段進行研究。早期發育中的錯誤可能導致植入問題，胎兒缺陷和胎盤不足，導致早期妊娠中止。小鼠研究為早期胚胎髮育的主要遺傳和表觀遺傳事件提供了線索。但小鼠和人類之間存在顯著的形態和遺傳差異，這使得跨物種比較的研究非常棘手。最近的一些實驗方法，包括直接使用人類胚胎或胚胎幹細胞，以及非人靈長類胚胎，為研究早期人類胚胎的發育開闢了新的途徑。
最近對早期人類胚胎的單細胞基因表達（RNA 測序）分析提供了發育進程的分子時間過程。通過這種方法，科學家發現了擴展囊胚（胚胎期第 5 天（E5）空化囊胚）中的三種不同的細胞譜系：外滋養層（outer trophectoderm, TE）、外胚層（epiblast, EPI）和封閉內細胞團（enclosed inner cell mass, ICM）的原始內胚層（primitive endoderm, PrE）（圖 1）。雖然許多細胞譜系標誌物，如 CDX2（caudal-type homeobox protein 2）、POU5F1（POU domain, class 5, transcription factor 1）和 SOX17（SRYbox 17）在小鼠胚胎髮育中保守表達，不過表達時間有差異。在人類中，在擴大囊胚階段之前不易通過轉錄譜分離這三種細胞譜系，但在小鼠中，在囊胚空化形態學事件之前 ICM 和 TE 的轉錄譜是不同的，因此是可以分離的。在小鼠中，囊胚的外層細胞會分化成 32 細胞階段胚胎中的 TE 細胞。相比之下，完全發育的人類囊胚的 TE 細胞仍然能夠再生整個囊胚。這些觀察結果表明，人類胚胎的譜系分離發生在囊胚形成後，而小鼠的譜系分離是逐漸進行的。
圖 1 體外培養 12 天后的人類囊胚模擬了移植後發育的細胞層。
如果這個結論屬實，那麼就意味著小鼠和人類之間的譜系分離差異對驅動譜系分化的上游信號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部細胞之間 Hippo 信號傳導的差異在引導 ICM 分化成 TE 過程中起重要作用。然而，在人類中，是否存在相同的途徑則尚不清楚。此外，成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor, FGF）信號傳導的差異是引導小鼠 ICM 分化成 EPI 和 PrE 的關鍵，但阻斷人類胚胎中的 FGF 信號傳導並不影響 PrE 的形成，這表明其它信號通路可能與此譜系決定相關。這一發現的意義在於，需要提供體外關鍵信號條件以確保 IVF 胚胎的正確發育。
直接評估早期胚胎中的基因功能可以確定小鼠和人類之間的差異的重要性，但是直到 CRISPR-Cas 基因編輯技術出現後，科學家才能完成這類實驗。少數幾個區域允許在早期人類胚胎中進行實驗性基因編輯，以探索基因功能和生殖細胞基因矯正對遺傳疾病的治療效果。人類胚胎中 POU5F1 的基因編輯實驗結果顯示，該基因被敲除的突變胚胎無法發育到囊胚階段。這表明相比於小鼠，POU5F1 在人類發育的更早階段發揮了作用。
儘管直接在 IVF 條件下培養的人類胚胎中研究囊胚階段之前的早期發育是可行的，但是胚胎植入後的發育研究就需要新的技術。最近，科學家已經在 2D 培養系統中培養出了囊胚，並達到了 EPI、羊膜和卵黃囊形成的初始階段。儘管這些培養的胚胎組織結構不佳，並且未能在 10 到 12 天后繼續發育，但通過改善細胞外基質和培養條件可以支持人類胚胎髮育至下一個里程碑階段——原腸胚 E14 形成。目前這類實驗並未開展，因為全球幾乎普遍禁止培養 14 天以上的完整人類胚胎。14 天標誌著神經系統發育的開始。鑒於 14 天以上的培養有可能為早期發育的關鍵事件提供新的見解，目前監管機構正在就是否應該重新審議 14 天規則問題進行討論。
鑒於對人類胚胎培養的倫理擔憂以及體內植入後發育階段研究的不可獲得性，科學家在考慮使用替代模型來開展人類早期發育的研究。人類和非人類靈長類胚胎的形態特徵之間非常相似（圖 2）。對食蟹猴（cynomolgus monkey）移植後胚胎的研究揭示了羊膜形成、滋養細胞發育（形成胎盤）、生殖細胞形成和原腸胚形成過程的細節，以及支持這些事件的一些關鍵基因表達的時間和空間位置。儘管非人靈長類動物的胚胎可能適合進行直接實驗，並且可能用於基因修飾實驗，但這些研究在技術上具有挑戰性，並且還伴隨著動物倫理和護理問題。此外，非人靈長類胚胎在多大程度上可以被認為是人類胚胎實驗的替代物還存在疑問。
最近，已有研究表明培養人多潛能胚胎幹細胞（embryonic stem, ES）可以產生胚胎樣結構（胚狀體）。在人類多潛能胚胎幹細胞的微模式培養（micropatterned culture）中，2D 細胞類型和相關基因表達譜都與小鼠胚胎胚層中的有序模式類似。這些模式的構造並不能完全重現原腸胚標誌性的 3D 結構。相反，3D 基質中多潛能幹細胞的培養可以產生能重現 EPI 和羊膜形成的胚狀體結構。
在小鼠中，3D 培養的 ES 細胞會產生類原腸胚結構。這些結構不僅具有 EPI，而且還有局部化的原始條紋狀結構和前 - 後組織模式（胚胎髮育中前側和後側細胞會分化成不同的細胞譜系），這是原腸胚階段胚胎的獨特特徵。在沒有胚外組織（如滋養層和 PrE）的情況下發育到這種組織程度是非常有意義的，因為胚外組織通常會提供局部信號以引導細胞定向分化。此外，聯合培養 ES 細胞和滋養層幹細胞（trophoblast stem, TS）可以模擬一些胚胎 - 胚外組織的相互作用，並且能夠產生類似於囊胚的類囊胚和類似於原腸胚前胚胎的類胚體。這些發現進一步證實了人類 ES 細胞和人類 TS 細胞的聯合培養可能為人類發育提供近似度較高的實驗模型。在這個關鍵時刻，迫切需要解答的問題是：這些胚胎樣結構的發育是否足夠類似人體胚胎的體內發育，這些模型得到的結果是否與早期人類發育具有科學上的相關性。未來需要直接對人類胚胎進行研究，以建立一個發育研究的範例，以作為這些胚胎樣實體發現的評估依據。
圖 2 胚胎髮育的實驗研究。
人類胚胎學研究的目標是獲取關於早期人類發育的細胞和分子機制的基礎知識，並促進其在生殖技術、基因編輯、幹細胞研究和預防遺傳性出生缺陷方面的應用。雖然這些知識最好從研究人類胚胎上獲得，但人體 IVF 胚胎研究必須遵守關於「適度」和「同意」的倫理、法律和實踐原則。許多管轄區禁止以研究為目的地去創造胚胎，這其實也禁止了某些實驗的可行性，例如受精和合子形成前的生殖細胞基因編輯。未來，幹細胞衍生的胚胎樣結構或許足以取代人類胚胎，成為人類發育研究的模型系統，為人類早期發育提供最有用的見解。
隨著用於產生幹細胞衍生的胚胎樣結構的技術提高，這些生物構建體將更接近人類胚胎。這就出現了一個問題：這些實體是否會受到與人類胚胎一樣的道德限制？體外發育的 14 天限制是否會應用於這些胚胎樣培養物？14 天規則的胚胎學知識是基於人類胚胎的罕見數據和小鼠發育和形態學研究總結得出的，而不是基於人類胚胎的實驗發現。如果人類類胚胎和原腸胚可以在 14 天后繼續發育，那麼 14 天規則可能就毫無意義，並且限制了相關研究的進展。因此，在考慮是否維持或修改 14 天規則之前，為了測試科學價值以及倫理和法律實用性，必須對人類早期胚胎髮育和替代性的胚胎學模型進行嚴格控制的研究。
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
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