“我們沒有用到精子、卵子和子宮，僅用干細胞就培育出了合成小鼠的胚胎模型。”
一篇發(fā)表在Cell上的論文，這兩天簡直火出圈了，起因就是作者Jacob Hanna介紹論文時說的這番話。
從實驗結(jié)果來看，合成的胚胎不僅有一顆跳動的心臟，而且還自帶神經(jīng)褶（neural folds）、前腸管（foregut tube）、血島（blood islands）等結(jié)構(gòu)。
作者“語出驚人”后，這篇研究立刻引炸了微博，網(wǎng)友們的反應(yīng)也是一波比一波熱烈。
有不少網(wǎng)友感到恐懼，甚至已經(jīng)有人聯(lián)想到了機器生產(chǎn)的方法：
也有網(wǎng)友調(diào)侃：這是真·人工智能時代來了。
所以，這項研究真正做出了什么突破，離我們想象中的體外合成胚胎還有多遠？
這是一項什么樣的研究？
事實上，雖然胚胎干細胞一直被認為具有發(fā)育成器官或胚胎的潛力，但這個過程科學家們從來沒在體外實現(xiàn)過。
甚至僅僅是在體外將胚胎干細胞合成一個胚胎模型這個過程，也難以實現(xiàn)。
主要有兩個難點：
一方面，部分胚胎干細胞（具有多能性）并非受精卵（具有全能性），要想用它合成有不同細胞的胚胎模型，還需要進一步激發(fā)它分化的能力；
另一方面，體外培養(yǎng)環(huán)境復(fù)雜，人造子宮無法完全模擬出適合細胞生長的環(huán)境。
這項研究的關(guān)鍵突破之一，是成功地讓胚胎干細胞獨立產(chǎn)生了完整的原腸胚結(jié)構(gòu)，包括胚胎和胚外組織（胎盤等），甚至從原腸胚進展到形成器官的早期階段（E8.5）。
作者們將體外合成的胚胎結(jié)構(gòu)與體內(nèi)進行了對比，“該有的都有”：
從圖中來看，雖然和體內(nèi)胚胎發(fā)育的狀態(tài)不完全一樣，但這個胚胎的復(fù)雜度和精確性是“前所未有的”：
所以，作者是如何解決上述兩個難點的呢？
首先，作者采用一種特殊的方法，將胚胎干細胞重編程為原始態(tài)（naive）胚胎干細胞，盡可能激發(fā)細胞的分化能力，讓它“更有意愿”產(chǎn)生不同的細胞，構(gòu)成完整的胚胎；
然后，作者采用了一種特殊的“機械子宮”，在體外模擬胚胎發(fā)育的環(huán)境，盡可能讓原始態(tài)胚胎干細胞去主動形成原腸胚，并形成器官。
形成原腸胚的過程，是細胞開始分化的一個關(guān)鍵時期（囊胚時期只經(jīng)歷了細胞分裂），從而形成內(nèi)胚層、中胚層和外胚層細胞，隨后才開始形成器官。
細胞分化關(guān)鍵期
此前，完整原腸胚結(jié)構(gòu)必須得借助“體內(nèi)的力量”實現(xiàn)，即導(dǎo)入哺乳動物體內(nèi)發(fā)育的胚胎中培養(yǎng)。
具體來說，科學家們會將體外培養(yǎng)的胚胎干細胞注射入囊胚（內(nèi)部產(chǎn)生囊胚液、囊胚腔的胚胎）中，并與囊胚中已有的細胞一起發(fā)育、分化，因為這一環(huán)境能促成胚胎或胚胎外組織的形成。
這次作者們在“機械子宮”中，將胚胎成纖維細胞作為滋養(yǎng)層細胞，模擬胚胎發(fā)育環(huán)境，最終成功解決了這一難題。
不過值得注意的是，這種方法仍然有一些限制。
例如，本次研究僅進行到人工合成胚胎發(fā)育的第8天，而這只是胚胎發(fā)育的早期階段（小鼠的完整妊娠周期是20天）。
此外，這個方法的成功率只有0.5%——
每10000個細胞團中大約僅有50個能夠成功組裝成胚胎，其余的都無法正常發(fā)育。而且，實驗也沒有把培養(yǎng)后的胚胎轉(zhuǎn)移回小鼠子宮中，嘗試發(fā)展生命出來。
聽起來，似乎距離合成一個完整器官或胚胎還有點遠，甚至有網(wǎng)友覺得，這項研究沒有什么價值，看起來就是換了個概念：
但其實，這項研究用到的細胞重編程、以及人造子宮等技術(shù)，仍然是合成生命的關(guān)鍵條件。
距離“合成生命”實現(xiàn)還有多久？
細胞重編程和人造子宮技術(shù)，是目前“合成生命”研究最熱門的兩個方向之一。
一方面，細胞重編程讓普通細胞變成“生命之源”成為可能；另一方面，人造子宮則給“體外培育生命”帶來了希望。
首先，細胞重編程技術(shù)最近還在不斷取得突破。
生物技術(shù)的最重要的功能就是生成“誘導(dǎo)”干細胞的能力，但這一過程會破壞細胞功能，使細胞分化成任何類型細胞。
最新的相關(guān)研究是清華團隊最近發(fā)現(xiàn)的一種“神奇藥水”，能把小鼠細胞重編程為一種全能干細胞。也就是說，不需要精子和卵子也具備獨立形成生命的潛力。
其次，胚胎體外培養(yǎng)技術(shù)也在取得進展。
比如，這篇論文采用的“機械子宮”裝置，就是去年的發(fā)明之一（也是這個團隊搞的），并首次成功培養(yǎng)了小鼠胚胎6天時間。
不過，當時這些胚胎還都是從小鼠的受精卵中提取的，今年的實驗是去年的進階版。
當然，離功能齊全、可全程孕育胚胎的人造子宮還有一段距離。
此外值得一提的是，去年5月，ISSCR（國際干細胞研究學會）放寬了人類胚胎培養(yǎng)的 “14天規(guī)則”。
即之前只允許研究人員在實驗室里培養(yǎng)人類受精卵14天，但現(xiàn)在研究人可申請進行更長時間的研究。
（不過ISSCR同時表示，禁止將人類胚胎模型植入子宮）
但對于這項研究，許多業(yè)內(nèi)專家仍然有不少顧慮。
倫敦弗朗西斯·克里克研究所的主要負責人James Briscoe博士，就表示了對小鼠實驗轉(zhuǎn)化為人類實驗的擔心：
我們對人類胚胎的了解少于對小鼠胚胎的了解，而小鼠合成胚胎的低效率表明，將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為人類身上還需要進一步的研究。
現(xiàn)在是考慮用法律和道德框架來規(guī)范人類合成胚胎的研究，和更新現(xiàn)行法規(guī)的最好時機。
凱斯西儲大學醫(yī)學院遺傳學和基因組科學教授Paul J. Tesar也發(fā)出感慨：
當科學開始進入到可以從培養(yǎng)皿中的干細胞群一直發(fā)展到器官的領(lǐng)域，這意味著有一天可以創(chuàng)造一個活的有機體，那將是一個相當狂野和非凡的時代。
對于這些質(zhì)疑，通訊作者Jacob Hanna表示，這項研究的最初設(shè)想并不是替人類生孩子，而是希望進一步理解器官發(fā)育的方式，以及干細胞是如何“明確自己的工作”的。
的確，由于“人造子宮”這一培養(yǎng)皿是透明的，研究人員可以隨時觀察到干細胞是如何在發(fā)育中的胚胎中一步步形成各種器官的。
這些數(shù)據(jù)還能幫助我們進一步研究基因突變?nèi)绾螌?dǎo)致各種發(fā)育異常疾病，并找到相應(yīng)的對策，甚至有望成為移植器官的可靠來源，成為真正的“全自動3D生物打印機”。
團隊介紹
該篇論文來自以色列魏茨曼科學研究所等研究團隊。
通訊作者Jacob Hanna，是魏茨曼科學研究所分子遺傳學系的細胞生物學教授，博士畢業(yè)于希伯來大學，博士后畢業(yè)于MIT懷特黑德生物醫(yī)學研究所。
主要研究方向是探索胚胎干細胞生物學、早期胚胎發(fā)育和人類疾病建模等。
值得注意的是，在這項研究發(fā)表前不久，他就成立了一家名為Renewal Bio的公司，計劃為培育人類合成胚胎提供相應(yīng)的醫(yī)療技術(shù)：
未來即使有人面臨生育問題，我們也能直接從他們的身上提取皮膚細胞，將它們重編程后產(chǎn)生干細胞，最終用這種方法合成胚胎模型，用于產(chǎn)生生殖細胞（精子/卵子）。
有網(wǎng)友感慨，或許今后的器官移植，就可以“私人訂制”了。
