在劍橋大學的胚胎和幹細胞實驗室，一枚凝聚了整個實驗室十餘年努力的小鼠胚胎，向世人講述著又一個生命奇跡。這枚胚胎並不是精子與卵細胞相遇的結晶，而是Magdalena Zernicka-Goetz教授團隊利用小鼠的幹細胞人工培育出來的。
▲劍橋大學的Magdalena Zernicka-Goetz教授，她同時任職於加州理工學院（圖片來源：Simon Zernicki-Glover）
利用幹細胞人工合成小鼠胚胎模型，本身已經算不上新聞了。2017年，正是Zernicka-Goetz教授領導的團隊用小鼠幹細胞培養出了人造胚胎模型；就在3周前，一篇《細胞》論文報道了不僅不需要精子與卵細胞，甚至直接在“人工子宮”中生長的小鼠胚胎。但這枚最新胚胎的特殊之處在於：人工合成胚胎首次擁有了完整的大腦結構。
剛剛，這項重磅成果刊登在頂級學術期刊《自然》上。研究團隊指出，該進展不僅為創造生命的第一步開辟了全新道路，還有望幫助理解胚胎發育中的遺傳機制、人工合成用於移植的人體器官。
我們知道，從受精卵到降臨世間的新生命，胚胎幹細胞（ESC）起到關鍵作用。這種具有多能性、能無限增殖的細胞，可以分化形成體內的幾乎所有細胞類型。
但要形成完整的胚胎，隻有胚胎幹細胞還不夠。除了發育中的胚胎本身，兩個支持胚胎發育的結構也不可或缺：胎盤是胎兒與母體之間的紐帶，為胎兒運輸氧氣與營養；卵黃囊則是母體和胚胎交換的初始場所，卵黃囊中形成的血島成為早期胚胎的造血場所。
而分化出胎盤與卵黃囊的，分別是兩種胚外幹細胞：滋養層幹細胞（TSC）和胚外內胚層幹細胞（XEN）。胚胎幹細胞連同這兩種胚外幹細胞，通過彼此間的信號交流，確保了胚胎的正常發育。
因此，要人工打造完整的小鼠胚胎，少不了這3種幹細胞的共同參與。例如在2017年的研究中，Zernicka-Goetz團隊打造的胚胎模型就缺少了胚外內胚層幹細胞。這樣的胚胎無法形成神經管——分化成大腦與脊髓的原始結構，自然也就不具備清晰的大腦結構。
▲Zernicka-Goetz教授團隊2017年的研究利用兩種幹細胞人工合成小鼠胚胎（圖片來源：參考資料[3]）
當然，對科學家來說，任務不僅是將這3種幹細胞放在一起這麼簡單，還要讓它們能順利“對話”交流。事實上，大量人類胚胎停育的案例，都發生在這3種幹細胞彼此傳遞力學信號與化學信號的階段。“很多胚胎停育都出現在這一階段，這時人們往往還沒有意識到已經懷孕了，” Zernicka-Goetz教授說，“這個階段是一切的基礎。如果這時出錯，妊娠就會以失敗告終。”
在最新研究中，研究團隊組合使用了小鼠的胚胎幹細胞、滋養層幹細胞和誘導胚外內胚層幹細胞（iXEN）。通過誘導特定基因的表達、創造適合幹細胞間交流的生長環境，研究團隊實現了幹細胞之間的信號傳遞。
最終，這些幹細胞自組織形成胚胎並且持續發育至神經管形成。這時，胚胎模型的狀態相當於自然狀態下，受精後8.5天的小鼠胚胎。
▲自然（上）與人工合成（下）的小鼠胚胎對比，可以看見兩者的大腦與心臟結構（圖片來源：Amadei and Handford）
這時的胚胎模型已經分化出了哪些器官結構？在顯微鏡下，研究團隊觀察到了神經管、持續跳動的心臟結構、腸管、原始生殖細胞、包含了神經中胚層前體細胞的尾芽區……以及，最為關鍵的，能夠辨別出前腦與中腦區域的完整大腦結構。要知道，前腦需要來自胚胎外組織的信號傳遞才能發育。而現在，Zernicka-Goetz團隊首次在幹細胞培育的胚胎模型中展現出前腦的結構。
▲成功發育至相當於小鼠胚胎第8天的胚胎模型（圖片來源：參考資料[1]）
擁有完整的結構並不意味著與真實胚胎相同的功能。但很快，接下來的實驗打消了疑慮。研究團隊培育出敲除Pax6基因的胚胎模型。Pax6基因是大腦、眼部發育必不可少的基因，因此Pax6基因突變的胚胎會展現出特定的大腦發育缺陷。而敲除了Pax6的胚胎模型，也呈現了相似的缺陷模式。
這一結果意味著，人工胚胎模型可以模擬真實胚胎中的神經發育情況，因此未來科學家或許可以不再使用模式動物，而是直接在人工胚胎中分析調控發育的遺傳因素、研究眾多在大腦發育中功能尚不明確的基因。
“幹細胞胚胎模型十分重要，它能讓我們接觸到胚胎發育的早期階段。這時微小的胚胎植入子宮，是我們無法（用傳統方法）看見的隱秘時期。這樣的可及性讓我們能操控基因，來理解它們對於模型系統的發育所起到的作用。” Zernicka-Goetz教授表示。
▲另一張自然（上）與人工合成（下）的小鼠胚胎示意圖（圖片來源：Amadei and Handford）
此外，這個模型還能幫助研究者理解為什麼一些胚胎會無法順利發育，以及指導人工合成人體器官，為器官移植提供新的潛在來源。目前，研究團隊正在開發類似的人類胚胎模型，希望用於合成特定的器官。
“全球有無數人正在等待用於移植的器官，” Zernicka-Goetz教授說，“從這項工作中得出的知識可以用來‘種植’人類器官，從而拯救無數人的生命。”如果能避免可能出現的倫理問題，這項突破性技術無疑將為將來的醫學、遺傳學研究帶來有力的全新武器。
對於人體胚胎模型的前景，西班牙龐培法佈拉大學的Alfonso Martinez Arias教授表示，目前首先要解決小鼠研究中的效率與可靠性問題，因此仍需要一段時間才能實現。但“這項研究的結果預示著，未來類似的實驗也將在人體細胞中進行；在某一時刻，相似的結果也將出現。因此人們需要在這些研究到來之前，思考其倫理與社會影響。”
參考資料：
[1] Gianluca Amadei et al.， Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis. Nature (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246
[2] ‘Synthetic’ embryo with brain and beating heart grown from multiple stem cells by Cambridge scientists. Retrieved August 25th， 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/962544
[3] Harrison SE et al.， Assembly of embryonic and extraembryonic stem cells to mimic embryogenesis in vitro. Science. 2017 Apr 14;356(6334):eaal1810. doi: 10.1126/science.aal1810
