1999 年的电影《黑客帝国》中，胚胎可以在充满营养液体的玻璃罐子中被养大；科幻片《第六日》中，施瓦辛格扮演的克隆人在巨大的人工羊水池里培养，其生长速度很快，能够免去幼年、青少年的发育过程。
这些电影中的桥段正在成为现实，没有精子和卵子，甚至连子宫也不用，就能创造出活生生的胚胎。
近日，来自以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的研究团队利用小鼠的原始态胚胎干细胞构建出胚胎模型，然后将其置于“人造机械子宫”中进行培养，并且这个小鼠“合成胚胎”与自然胚胎非常相似，拥有一颗跳动的心脏、胎盘、卵黄囊，以及形成中的血管组织等。
目前，这些研究成果已经以“Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Naïve ESCs”（原肠胚形成后从小鼠原始态胚胎干细胞体外培养合成胚胎）为题发表于 Cell 上。
（来源：Cell）
▲图｜“合成胚胎”在“机械子宫”中培养（来源：Cell）
“在这项研究中，我们没有通过精子、卵子以及子宫，仅仅用干细胞就培育出了小鼠的胚胎，更为关键的是，‘合成胚胎’在我们开发的‘人造子宫’中发育存活了 8 天之久。”该论文的通讯作者、魏茨曼科学研究所细胞生物学教授 Jacob Hanna 博士介绍道。
2001 年，从以色列耶路撒冷希伯来大学医学系本科毕业后，Jacob Hanna 继续在该校攻读博士学位，研究方向为临床医学。博士毕业后，他进入麻省理工学院白头研究所（Whitehead institute）从事博士后研究工作。
目前，Jacob Hanna 是以色列魏茨曼科学研究所细胞生物学教授和高级科学家，并成立了自己的课题组，他将多种实验方法与计算生物学相结合，以此来研究胚胎干细胞生物学、早期胚胎发育以及人类疾病建模等课题。比如通过破译诱导多能干细胞产生机制来描述人类多能干细胞的独特类性和人类早期发育的各个阶段。他所从事的研究不仅有助于阐明细胞重编程的分子学机制，还将有望为 1 型糖尿病等退行性疾病以及各种自身免疫性疾病创建研究模型。
值得一提的是，Jacob Hanna 博士还入选了 2010 年度 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”。
▲图｜魏茨曼科学研究所细胞生物学教授 Jacob Hanna 博士（来源：Weizmann Institute of Science）
实验室培育的“合成胚胎”与自然胚胎相似度达 95%
多年以来，科学家们一直试图在体外还原胚胎生长发育的进程。胚胎干细胞是从早期胚胎中分离出来的一类细胞，具有无限增殖、自我更新和多向分化等特性。如今，科学家们已经能够将成熟体细胞重编程为原始态的胚胎干细胞。
先前的研究已经证实，原始态胚胎干细胞能够诱导分化成原始内胚层细胞和滋养层干细胞，这也就意味着，它具有发育成完整胚胎的潜力。因此，从理论上来讲，原始态胚胎干细胞具有发育成为各种器官甚至是完整胚胎的潜力，但研究人员尚未在体外实现这个过程，难以从胚胎干细胞分化为高度特异性的组织器官或得到完整的胚胎。
Jacob Hanna 团队的这项研究正是突破了这个难题。在该试验中，他们并没有使用自然的胚胎干细胞，而是从小鼠的皮肤细胞中提取出干细胞，然后将这些干细胞重编程为原始态的胚胎干细胞（ESCs），完成了胚胎模型的构建。
▲图｜“合成胚胎”的体外培养流程（来源：Cell）
首先，他们过表达相关基因，把原始态胚胎干细胞分化成为原始内胚层细胞和滋养层干细胞，并混合胚胎干细胞，将这三种细胞按照一定比例置入培养基进行培育。
培育 3 天后，将这些细胞转移至培养箱中继续培育，此时可观察到细胞数量明显增多，三种细胞聚集成为“葫芦”状的胚胎，同时能够看到外胚层细胞；5 天后，将“合成胚胎”转移至“人造机械子宫”中进行旋转培育，此时的胚胎形状逐渐变成“圆柱”状，并且逐渐开始分化出羊膜、羊膜腔以及胚外体腔等。
最终，这个“合成胚胎”存活了 8 天。“合成胚胎”已经出现了跳动的心脏、大脑、肠道、血管等器官组织的特异性分化，并且，“合成胚胎”与自然生长发育的胚胎在形态和基因表达等方面都非常相似。通过分析其在不同组织中的基因表达，研究人员发现“合成胚胎”与自然胚胎相似度达 95%。
▲图｜“合成胚胎”培育第 8 天与自然胚胎培育第 8.5 天的组织对比（来源：Cell）
与此同时，研究人员还对数万个类胚细胞进行了基因活性测量，结果发现测量的细胞类型都处于正确的位置。“我们的试验表明，哺乳动物的胚胎是可以在子宫外生长发育的。”Jacob Hanna 指出，“一般情况下，小鼠完整的妊娠时间大约是 20 天，我们的‘合成胚胎’在子宫外存活了长达 8 天。这是一个令人惊叹的试验，我们从一个细胞开始，实现了对早期胚胎发育过程的模拟，而在此前这是难以完成的。”
这项研究标志着人类首次在不使用精子、卵子和子宫的情况下创造出小鼠的“合成胚胎”，这为今后进一步探索干细胞如何在发育的胚胎中形成各种器官以及基因突变如何导致发育性疾病打下了基础。
值得注意的是，这项研究成果虽然令业界惊叹，但现阶段也存在一些不足，比如，目前的方法成功率只有 0.5%，每一千个细胞团中大约只有五个能够最终发育成胚胎，其余均无法正常发育。
▲图｜“合成胚胎”在“人造机械子宫”中进行旋转培育（来源：Cell）
数十年来，科学家们一直在探索如何让胚胎在子宫外存活，而这项试验能够取得成功关键则是，该团队先前开发出的一项胚胎体外培养技术，可以在体外模拟胚胎发育环境。
据了解，去年 3 月，Jacob Hanna 团队开发出一种体外的胚胎培养机械装置——“机械子宫”，并且成功地让小鼠自然胚胎在“机械子宫”里面存活了 6 天，胚胎的发育经历了原肠胚前期到器官发生晚期的关键阶段。相关研究已经以“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis”（从原肠胚形成前到器官发生晚期的体外小鼠胚胎发育）为题发表在 Nature 上。
（来源：Nature）
“我们设计的这个‘人造机械子宫’装置可以想象为一个电子控制的细胞培养箱，它能严格控制诸如氧气、压力、温度等参数，以此来模拟小鼠胚胎所必须的生长发育条件。有了这个装置，我们就可以在体外实现胚胎从原肠胚前期到器官分化的关键发育阶段。”Jacob Hanna 说道。
“人造机械子宫”核心部件是一个个透明的培养瓶，胚胎浸润在富含营养的血清以及氧气中。透过玻璃瓶，研究人员可以观察到这些胚胎细胞的生长发育过程，以及如何一步一步形成各种器官和组织。
▲图｜透过“机械子宫”可看到“合成胚胎”（来源：Nature）
对于这项新研究下一步的动向，Jacob Hanna 博士表示将使用他自己（也包括一些其他志愿者）的血液或皮肤细胞，来制造合成人类胚胎干细胞。“相信不就的将来，我的实验室里就会充满我自己的上千个基因克隆，但需要注意的是，我们并不是真正意义上的制造出‘人’，这不是我们想要做的研究。”Jacob Hanna 说道。
已经创立公司进行成果转化，专注于器官移植
目前，Jacob Hanna 已经创立了一家名为 Renewal Bio 的生物技术公司，专注于探索和测试人类合成胚胎的潜在临床应用。简而言之，通过模拟人类胚胎的早期阶段，来获得各种器官或组织用于进行移植。
据了解，该公司已经在以色列获得了这项新研究的伦理许可，而且在美国和英国等国家也获得了许可。“需要特别强调的是，我们培育的这种‘合成胚胎’只是一个胚状体，它不是真正的胚胎，因为它并不具备发育成为活体的能力。”Jacob Hanna 说道。
“就现阶段来说，器官移植面临的最大问题是如何找到一个‘完美匹配’的供体，毕竟供体 DNA 与患者 DNA 不可能完全相同。倘若某一天，人类的器官可以在实验室的用‘合成胚胎’培育出来，那么我们的这项技术每年可以为成千上万的患者提供自体的移植器官，拯救更多的生命。”Jacob Hanna 表示。
目前而言，诸如软骨或骨骼等简单的组织可以通过体外培养的方式获得，但是绝大多数的复杂器官在现阶段是难以实现的。而这种“合成胚胎”或许在将来可以成为移植器官的可靠来源，成为真正意义上的 3D 生物器官打印机。
“虽然现在谈人造器官还为时尚早，但我们确实已经开始付诸于行动了，我认为‘合成胚胎’就是一台非常好的 3D 生物器官打印机。”Jacob Hanna 指出，“它可以说是提供器官和组织的最佳供体，而这也是我创立公司的初衷。”
目前，Renewal Bio 公司的技术路线、平台等任何信息都尚未公开披露，并且该公司的官网也颇为“简陋”，几乎没有任何相关介绍。“自从 CRISPR 基因编辑技术首次亮相以来，我还没有看到拥有如此巨大潜力的技术。没有卵子、没有精子、没有子宫，直接从细胞中创造出合成胚胎，我认为这是一个巨大的、变革性的平台技术。但目前公司成立不久还处于早期阶段，所以我们不想做出过多的承诺，当然也不想‘吓到’广大群众。”该公司的首席执行官 Omri Amirav Drory 表示。
（来源：Pixabay）
胚胎干细胞的相关研究，总是会伴随着出现伦理问题，成为一个颇具争议的领域。支持者认为，胚胎干细胞可以用于根治很多疑难杂症，是医学进步的表现；而反对者则表示，进行胚胎干细胞研究会破坏掉胚胎，有反生命伦理。
具体到这项研究而言，这或许是一个灰色地带，因为关于合成胚胎是否有任何权利可能存在争议。来自弗朗西斯·克里克研究所的 James Briscoe 博士就公开表示对这项研究的担忧。“我们对人类胚胎比对小鼠胚胎的了解少得多，这项研究中小鼠胚胎组装成功率只有 0.5%，所以，用在人类胚胎上还非常远的路要走。显然，在开发人类合成胚胎之前讨论如何规范这项研究工作是至关重要的一件事。”他指出。
对此，Jacob Hanna 则不认为这种由干细胞加工成人造合成胚胎能够算作人类，作为应对方案，他也想到一个计划以防万一，即限制合成胚胎的发育潜力来规避伦理问题。“对于伦理问题，我们也为此投入了大量资金进行研究与开发。比如，我们对干细胞进行基因改造，这样的合成胚胎在发育过程中会缺少相应的器官，比如没有心脏或没有大脑等，而具有我们需要的器官。”Jacob Hanna 表示。
凯斯西储大学医学院的发育生物学家 Paul Tesar 曾说过，随着科学家不断革新干细胞来源的胚胎的生物技术，未来，合成胚胎和自然胚胎的界线也会变得模糊起来，但灰色地带总是存在的，因此，需要科学家乃至全社会团结起来，决定伦理界限和道德尺度，希望不久的将来真正能将胚胎干细胞技术作为一种创造器官组织并用于移植和治疗疾病的有效手段。