近日,，來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所（Weizmann Institute of Science）的研究團(tuán)隊(duì)利用小鼠的原始態(tài)胚胎干細(xì)胞構(gòu)建出胚胎模型，然后將其置于“人造機(jī)械子宮”中進(jìn)行培養(yǎng)，并且這個(gè)小鼠“合成胚胎”與自然胚胎非常相似,，擁有一顆跳動(dòng)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(jīng)以“Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Na?ve ESCs”（原腸胚形成后從小鼠原始態(tài)胚胎干細(xì)胞體外培養(yǎng)合成胚胎）為題發(fā)表于 Cell 上,。

（來源：Cell）

▲圖｜“合成胚胎”在“機(jī)械子宮”中培養(yǎng)（來源：Cell）

“在這項(xiàng)研究中，我們沒有通過精子,、卵子以及子宮,，僅僅用干細(xì)胞就培育出了小鼠的胚胎，更為關(guān)鍵的是,，'合成胚胎’在我們開發(fā)的'人造子宮’中發(fā)育存活了 8 天之久,。”該論文的通訊作者、魏茨曼科學(xué)研究所細(xì)胞生物學(xué)教授 Jacob Hanna 博士介紹道,。

2001 年,，從以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)醫(yī)學(xué)系本科畢業(yè)后，Jacob Hanna 繼續(xù)在該校攻讀博士學(xué)位,，研究方向?yàn)榕R床醫(yī)學(xué),。博士畢業(yè)后，他進(jìn)入麻省理工學(xué)院白頭研究所（Whitehead institute）從事博士后研究工作,。

目前,，Jacob Hanna 是以色列魏茨曼科學(xué)研究所細(xì)胞生物學(xué)教授和高級科學(xué)家，并成立了自己的課題組,，他將多種實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算生物學(xué)相結(jié)合,，以此來研究胚胎干細(xì)胞生物學(xué),、早期胚胎發(fā)育以及人類疾病建模等課題。比如通過破譯誘導(dǎo)多能干細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)制來描述人類多能干細(xì)胞的獨(dú)特類性和人類早期發(fā)育的各個(gè)階段,。他所從事的研究不僅有助于闡明細(xì)胞重編程的分子學(xué)機(jī)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創(chuàng)建研究模型。

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(chuàng)新 35 人”,。

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

實(shí)驗(yàn)室培育的“合成胚胎”與自然胚胎相似度達(dá) 95%

多年以來，科學(xué)家們一直試圖在體外還原胚胎生長發(fā)育的進(jìn)程,。胚胎干細(xì)胞是從早期胚胎中分離出來的一類細(xì)胞,，具有無限增殖、自我更新和多向分化等特性,。如今,，科學(xué)家們已經(jīng)能夠?qū)⒊墒祗w細(xì)胞重編程為原始態(tài)的胚胎干細(xì)胞。

先前的研究已經(jīng)證實(shí),，原始態(tài)胚胎干細(xì)胞能夠誘導(dǎo)分化成原始內(nèi)胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)層干細(xì)胞,，這也就意味著，它具有發(fā)育成完整胚胎的潛力,。因此,，從理論上來講，原始態(tài)胚胎干細(xì)胞具有發(fā)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(shí)現(xiàn)這個(gè)過程,，難以從胚胎干細(xì)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(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究正是突破了這個(gè)難題,。在該試驗(yàn)中,，他們并沒有使用自然的胚胎干細(xì)胞，而是從小鼠的皮膚細(xì)胞中提取出干細(xì)胞,，然后將這些干細(xì)胞重編程為原始態(tài)的胚胎干細(xì)胞（ESCs）,，完成了胚胎模型的構(gòu)建。

▲圖｜“合成胚胎”的體外培養(yǎng)流程（來源：Cell）

首先,，他們過表達(dá)相關(guān)基因,，把原始態(tài)胚胎干細(xì)胞分化成為原始內(nèi)胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)層干細(xì)胞，并混合胚胎干細(xì)胞,，將這三種細(xì)胞按照一定比例置入培養(yǎng)基進(jìn)行培育,。

培育 3 天后，將這些細(xì)胞轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)箱中繼續(xù)培育,，此時(shí)可觀察到細(xì)胞數(shù)量明顯增多,，三種細(xì)胞聚集成為“葫蘆”狀的胚胎，同時(shí)能夠看到外胚層細(xì)胞,；5 天后,，將“合成胚胎”轉(zhuǎn)移至“人造機(jī)械子宮”中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)培育,，此時(shí)的胚胎形狀逐漸變成“圓柱”狀，并且逐漸開始分化出羊膜,、羊膜腔以及胚外體腔等,。

最終，這個(gè)“合成胚胎”存活了 8 天,?！昂铣膳咛ァ币呀?jīng)出現(xiàn)了跳動(dòng)的心臟、大腦,、腸道,、血管等器官組織的特異性分化，并且,，“合成胚胎”與自然生長發(fā)育的胚胎在形態(tài)和基因表達(dá)等方面都非常相似,。通過分析其在不同組織中的基因表達(dá)，研究人員發(fā)現(xiàn)“合成胚胎”與自然胚胎相似度達(dá) 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(shí)，研究人員還對數(shù)萬個(gè)類胚細(xì)胞進(jìn)行了基因活性測量,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測量的細(xì)胞類型都處于正確的位置,。“我們的試驗(yàn)表明,，哺乳動(dòng)物的胚胎是可以在子宮外生長發(fā)育的,。”Jacob Hanna 指出，“一般情況下,，小鼠完整的妊娠時(shí)間大約是 20 天,，我們的'合成胚胎’在子宮外存活了長達(dá) 8 天。這是一個(gè)令人驚嘆的試驗(yàn),，我們從一個(gè)細(xì)胞開始,，實(shí)現(xiàn)了對早期胚胎發(fā)育過程的模擬，而在此前這是難以完成的,?！?/span>

這項(xiàng)研究標(biāo)志著人類首次在不使用精子、卵子和子宮的情況下創(chuàng)造出小鼠的“合成胚胎”,，這為今后進(jìn)一步探索干細(xì)胞如何在發(fā)育的胚胎中形成各種器官以及基因突變?nèi)绾螌?dǎo)致發(fā)育性疾病打下了基礎(chǔ),。

值得注意的是，這項(xiàng)研究成果雖然令業(yè)界驚嘆,，但現(xiàn)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(gè)細(xì)胞團(tuán)中大約只有五個(gè)能夠最終發(fā)育成胚胎,，其余均無法正常發(fā)育,。

▲圖｜“合成胚胎”在“人造機(jī)械子宮”中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)培育（來源：Cell）

數(shù)十年來，科學(xué)家們一直在探索如何讓胚胎在子宮外存活,，而這項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉贸晒﹃P(guān)鍵則是,，該團(tuán)隊(duì)先前開發(fā)出的一項(xiàng)胚胎體外培養(yǎng)技術(shù)，可以在體外模擬胚胎發(fā)育環(huán)境,。

據(jù)了解,，去年 3 月，Jacob Hanna 團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種體外的胚胎培養(yǎng)機(jī)械裝置——“機(jī)械子宮”,，并且成功地讓小鼠自然胚胎在“機(jī)械子宮”里面存活了 6 天,，胚胎的發(fā)育經(jīng)歷了原腸胚前期到器官發(fā)生晚期的關(guān)鍵階段。相關(guān)研究已經(jīng)以“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis”（從原腸胚形成前到器官發(fā)生晚期的體外小鼠胚胎發(fā)育）為題發(fā)表在 Nature 上,。

（來源：Nature）

“我們設(shè)計(jì)的這個(gè)'人造機(jī)械子宮’裝置可以想象為一個(gè)電子控制的細(xì)胞培養(yǎng)箱,，它能嚴(yán)格控制諸如氧氣、壓力,、溫度等參數(shù),，以此來模擬小鼠胚胎所必須的生長發(fā)育條件。有了這個(gè)裝置,，我們就可以在體外實(shí)現(xiàn)胚胎從原腸胚前期到器官分化的關(guān)鍵發(fā)育階段,。”Jacob Hanna 說道。

“人造機(jī)械子宮”核心部件是一個(gè)個(gè)透明的培養(yǎng)瓶,，胚胎浸潤在富含營養(yǎng)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(xì)胞的生長發(fā)育過程,，以及如何一步一步形成各種器官和組織,。

▲圖｜透過“機(jī)械子宮”可看到“合成胚胎”（來源：Nature）

對于這項(xiàng)新研究下一步的動(dòng)向，Jacob Hanna 博士表示將使用他自己（也包括一些其他志愿者）的血液或皮膚細(xì)胞,，來制造合成人類胚胎干細(xì)胞,。“相信不就的將來,，我的實(shí)驗(yàn)室里就會(huì)充滿我自己的上千個(gè)基因克隆,，但需要注意的是，我們并不是真正意義上的制造出'人’,，這不是我們想要做的研究,。”Jacob Hanna 說道,。

已經(jīng)創(chuàng)立公司進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化,，專注于器官移植

目前，Jacob Hanna 已經(jīng)創(chuàng)立了一家名為 Renewal Bio 的生物技術(shù)公司,，專注于探索和測試人類合成胚胎的潛在臨床應(yīng)用,。簡而言之,，通過模擬人類胚胎的早期階段，來獲得各種器官或組織用于進(jìn)行移植,。

據(jù)了解,，該公司已經(jīng)在以色列獲得了這項(xiàng)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,?！靶枰貏e強(qiáng)調(diào)的是，我們培育的這種'合成胚胎’只是一個(gè)胚狀體,，它不是真正的胚胎,，因?yàn)樗?/span>不具備發(fā)育成為活體的能力。”Jacob Hanna 說道,。

“就現(xiàn)階段來說,，器官移植面臨的最大問題是如何找到一個(gè)'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(shí)驗(yàn)室的用'合成胚胎’培育出來，那么我們的這項(xiàng)技術(shù)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通過體外培養(yǎng)的方式獲得,，但是絕大多數(shù)的復(fù)雜器官在現(xiàn)階段是難以實(shí)現(xiàn)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 生物器官打印機(jī),。

“雖然現(xiàn)在談人造器官還為時(shí)尚早,，但我們確實(shí)已經(jīng)開始付諸于行動(dòng)了，我認(rèn)為'合成胚胎’就是一臺非常好的 3D 生物器官打印機(jī),。”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(chuàng)立公司的初衷,?！?/span>

目前，Renewal Bio 公司的技術(shù)路線,、平臺等任何信息都尚未公開披露,，并且該公司的官網(wǎng)也頗為“簡陋”，幾乎沒有任何相關(guān)介紹,?！白詮?CRISPR 基因編輯技術(shù)首次亮相以來,，我還沒有看到擁有如此巨大潛力的技術(shù)。沒有卵子,、沒有精子,、沒有子宮，直接從細(xì)胞中創(chuàng)造出合成胚胎,，我認(rèn)為這是一個(gè)巨大的,、變革性的平臺技術(shù)。但目前公司成立不久還處于早期階段,，所以我們不想做出過多的承諾,，當(dāng)然也不想'嚇到’廣大群眾?！痹摴镜氖紫瘓?zhí)行官 Omri Amirav Drory 表示,。

（來源：Pixabay）

胚胎干細(xì)胞的相關(guān)研究，總是會(huì)伴隨著出現(xiàn)倫理問題,，成為一個(gè)頗具爭議的領(lǐng)域,。支持者認(rèn)為，胚胎干細(xì)胞可以用于根治很多疑難雜癥,，是醫(yī)學(xué)進(jìn)步的表現(xiàn),；而反對者則表示，進(jìn)行胚胎干細(xì)胞研究會(huì)破壞掉胚胎,，有反生命倫理,。

具體到這項(xiàng)研究而言，這或許是一個(gè)灰色地帶,，因?yàn)殛P(guān)于合成胚胎是否有任何權(quán)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(xiàng)研究的擔(dān)憂?！拔覀儗θ祟惻咛ケ葘π∈笈咛サ牧私馍俚枚?，這項(xiàng)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(yuǎn)的路要走,。顯然，在開發(fā)人類合成胚胎之前討論如何規(guī)范這項(xiàng)研究工作是至關(guān)重要的一件事,。”他指出,。

對此，Jacob Hanna 則不認(rèn)為這種由干細(xì)胞加工成人造合成胚胎能夠算作人類,，作為應(yīng)對方案,，他也想到一個(gè)計(jì)劃以防萬一，即限制合成胚胎的發(fā)育潛力來規(guī)避倫理問題。“對于倫理問題,，我們也為此投入了大量資金進(jìn)行研究與開發(fā),。比如，我們對干細(xì)胞進(jìn)行基因改造,，這樣的合成胚胎在發(fā)育過程中會(huì)缺少相應(yīng)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,?！盝acob Hanna 表示。

凱斯西儲(chǔ)大學(xué)醫(yī)學(xué)院的發(fā)育生物學(xué)家 Paul Tesar 曾說過,，隨著科學(xué)家不斷革新干細(xì)胞來源的胚胎的生物技術(shù),，未來，合成胚胎和自然胚胎的界線也會(huì)變得模糊起來,，但灰色地帶總是存在的,，因此，需要科學(xué)家乃至全社會(huì)團(tuán)結(jié)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干細(xì)胞技術(shù)作為一種創(chuàng)造器官組織并用于移植和治療疾病的有效手段。

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5.https://hannalabweb./?page_id=69

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