人类胚胎模型越来越逼真——引发了伦理问题

在显微镜下，吴军可以看到几个小球体，每个球体的宽度都不到 1 毫米。它们看起来就像人类胚胎：一簇深色的细胞，周围环绕着一个空腔，然后是另一个细胞环。

但达拉斯德克萨斯大学西南医学中心（University of Texas Southwestern Medical Center）的干细胞生物学家吴知道，这些领域并不像它们看起来的那样。它们是实验室培养的胚胎模型，远非完美的复制品。

整组细胞都不存在，其他细胞组则不属于那里。Wu 知道，这些模型最终会突然而混乱地消亡。

如果胚胎模型是房子，那么在立面后面会有不平整的地板、扭曲的镜子和壁橱里的鬼魂。尽管如此，数十个实验室正在竞争培育出人类胚胎的最佳形象。

制作它们的模型有多少个，每个模型都概括了胚胎发育的略有不同的方面，以期在受孕后的最初几周揭示新的生物学知识。

维也纳奥地利科学院分子生物技术研究所（Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences）的发育生物学家尼古拉斯·里夫隆（Nicolas Rivron）说，这个高风险、高戏剧性的时期“笼罩在神秘之中”。在子宫内，这些胚胎太小，无法用超声波观察。在实验室中，在受孕 14 天后在体外研究真实胚胎存在技术、伦理（通常是法律）限制。

胚胎模型的见解可能有助于解释为什么大约三分之一的自然胚胎无法度过最初的几周。这可能有助于解决不孕症问题，提高体外受精的成功率，甚至预防发育早期出现的疾病。模型也可用于测试胚胎药物的安全性。

但是，随着模型变得越来越复杂，并达到象征性的里程碑，例如第一次心跳，它们提出了棘手的伦理问题。伦理学家、监管机构和法律专家正在争先恐后地跟上研究的步伐。

与此同时，该领域充满活力。2 月，研究人员组织了世界上第一次完全致力于胚胎模型的科学会议。一些科学家已经成立了衍生公司，使用模型来开发治疗分子、测试药物和改善生育治疗。胚胎模型“几乎是目前最热门的话题”，马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的生物伦理学顾问 Insoo Hyun 说。

史诗般的表演

卵子和精子的相遇触发了一个快速且精确编排的细胞分裂和分化过程。在第一周，大约 100 个细胞形成一个称为囊胚的空心圆圈。它由三个不同的组组成，最终长成胚胎，即支持卵黄囊和胎盘。

然后胚胎将自己植入子宫。从大约两周开始，胚胎会经历一个称为原肠胚形成的过程，在这个过程中，细胞致力于成为三种细胞类型之一并组织成层。这些层进一步分化为肺、肠道、肌肉和其他器官，这个过程称为器官发生。

“胚胎从来都不是一成不变的，”伦敦弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的发育生物学家娜奥米·莫里斯（Naomi Moris）说。“它经历了这些巨大的戏剧性变化。”

研究人员试图在一道菜中重现这一史诗般的表演。这些努力——通常在小鼠和人类身上完成——通常捕捉到了这个过程的快照。

2014 年，研究人员将人类胚胎干细胞哄骗成三个不同的环——形成胚胎和胎盘的细胞的前体¹.后来的模型以羊膜腔和卵黄囊为特色，有些是 3D 的。到 2020 年，一些研究人员已经概括了原肠胚形成的一个方面，其中胚胎伸长成管状结构。

但 Wu 说，按照今天的标准，许多早期研究不会被视为整个胚胎的模型。

完整模型

一个重要的里程碑出现在 2021 年，当时 Wu 的团队和另一个团队已发表的类似于人类囊胚的模型（参见'模型开发'），通常是体外受精期间胚胎移植到子宫的阶段。

这些模型称为胚芽体，包含形成胚胎的细胞和支撑胚胎的细胞，称为胚胎外细胞，使它们成为人类胚胎的第一个“完整”或“集成”模型。

“它们并不完美，”英国剑桥 MRC 分子生物学实验室的干细胞和发育生物学家 Marta Shahbazi 说。但“他们相当不错”。

一些小组试图捕捉发育的早期阶段，使用能够变成胚胎发育所需的每种细胞类型的细胞（大多数模型使用能力更有限的细胞）。

2022 年，中国深圳生物技术公司华大细胞的干细胞生物学家 Miguel Esteban 和他的同事开发了一种类似于八细胞胚胎的模型，该模型通常在受精后三天形成.今年 6 月，北京大学（Peking University）的干细胞生物学家杜鹏（Du Peng）制作了类似的类胚球，这些类裂球最终会形成胚状体，而无需浸泡在化学物质中.

编写规则

自从第一个胚胎模型出现以来，伦理学家一直在努力解决它们带来的困境。国际干细胞研究学会 （ISSCR） 于 2021 年制定了指南;许多国家/地区正在考虑自己的指导方针和立法。

澳大利亚的规则是世界上最严格的规则之一。2020 年，在墨尔本莫纳什大学和阿德莱德大学领导一个团队的生物化学家何塞·波罗 （Jose Polo） 通知澳大利亚负责胚胎研究的监管机构国家健康与医学研究委员会，他已经开发出类胚体，并被要求暂停这项工作。

监管机构希望评估胚芽状体是否符合现行法律下被视为胚胎的标准，现行法律将胚胎定义为具有潜力的生物实体，有可能发育到大约两周的阶段，在该阶段出现称为原始条纹的结构，并且实体朝着具有身体计划的方向发展。

大约五个月后，答案回来了：该机构表示，他们这样做了，因为他们在理论上有可能发展出一种原始的倾向。因此，适用于真实胚胎研究的相同限制也适用于胚泡体。

这是一次毁灭性的挫折，Polo 说。他的团队必须获得特定的胚胎许可证，该许可证禁止该小组培养胚芽状体来研究原肠胚形成和器官发生的后期阶段。“我认为他们犯了一个错误，”Polo 谈到该机构的裁决时说。这些规则还限制了可以制造的胚泡体数量，并要求捐献细胞的人更严格地同意用于其中。

每个国家都在制定自己的路线。一些对比点是各国如何定义胚胎，该定义是否适用于胚胎模型，以及规则对研究的宽容程度。墨尔本默多克儿童研究所（Murdoch Children's Research Institute）的发育生物学家和生物伦理学家梅根·蒙西（Megan Munsie）说，在考虑胚胎模型时，监管机构通常以为研究真实人类胚胎而设计的规则和规范为指导。

西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学（University Pompeu Fabra）的发育生物学家阿方索·马丁内斯·阿里亚斯（Alfonso Martinez Arias）说，这些讨论往往超越了研究领域，在其他领域找到了相关性，如生殖健康、堕胎、妇女权利和再生医学。“我们的回音室非常大，”他在 7 月于德国汉堡举行的 ISSCR 年度会议上对挤满了同行的房间说。

由于胚胎模型与真实结构在很多方面不同，因此大多数国家对两者的处理方式不同。例如，在西班牙，胚胎的定义是基于受精，而受精不包括胚胎模型，荷兰莱顿大学医学中心的生物伦理学家 Nienke de Graeff 说。

一些定义侧重于胚胎形成或成为其他东西的潜力。ISSCR 表示，根据它们的潜力，胚胎模型不能被视为胚胎，大多数国家都持类似的观点。

一些人提议修改有关真实胚胎的法规，以涵盖某些类型的胚胎模型。Nienke 说，在荷兰，一个科学咨询机构提议禁止将模型生长到相当于 28 天的真实胚胎数量上。法国正在考虑同样的限制。英国的研究人员在 7 月做了一些不同的事情：他们发布了胚胎模型的自愿指南，这些指南没有对胚胎的培养时间设定固定限制。这些指导方针最终可能导致具有约束力的立法的通过——就像几十年前英国围绕胚胎研究的类似自愿指导方针一样。

然而，英国指南和 2021 年 ISSCR 指南确实禁止将人类胚胎模型移植到子宫中，包括瑞典和日本在内的其他几个国家正在考虑引入类似的限制。

科学加速发展

与此同时，科学的发展速度如此之快，以至于监管机构需要跟上很多事情。2024 年 6 月，ISSCR 宣布已成立一个工作组，根据 2021 年以来发布的模型评估科学状况并审查早期指南。

2023 年，大约有六个团队描述了概括胚胎植入后发育的模型。特别是两个模型被媒体广泛报道——一个由帕萨迪纳加州理工学院的发育生物学家 Magdalena Zernicka-Goetz 提供，另一个由以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的干细胞生物学家 Jacob Hanna 提供。它们被描述为完整的植入后模型，但这个名称一直引起激烈争论。

“这些不是完整的模型，”Rivron 说。Zernicka-Goetz 小组的那个没有像滋养层细胞那样为胚胎提供营养的细胞——尽管 Hanna 的研究人员说，它确实包含一个类似滋养层的层，但它不像真实的东西那样有条理。

“这几乎就像一场选美比赛——谁的'模型'看起来更好，”密歇根大学安娜堡分校（University of Michigan in Ann Arbor）的生物工程师傅建平（Jianping Fu）说。“有很多令人兴奋的事情，但与此同时，现在这个领域也有一些炒作。”

一些研究人员质疑追求完整模型的价值。这是一个“非常微妙的平衡行为”，Hyun 说。研究人员希望模型与胚胎足够相似，以便它们能够真正了解人类发育，但又不能太接近，以至于他们无法区分两者，因此可能会限制他们的工作。“你要尽可能靠近边缘滑冰，不要摔倒，”他说。

一些研究人员试图通过故意对他们的胚胎模型进行更改来避免这种道德困境，这将使模型无法产生生物体。例如，Hanna 已经开始研究参与大脑和心脏发育的基因已失活的模型。他从与社区中的基督教和犹太领袖的讨论中推断出，缺乏大脑或心脏组织的胚胎模型不会被视为一种人。

Fu 描述了一个模型⁹他说这减轻了一些道德负担，因为虽然它到达了原肠胚形成，但它并没有首先形成原始的条纹。

研究人员说，这样的模型可能很有洞察力和有用。去年 12 月首次发表的一篇引起了人们的兴奋，因为它很好地反映了真实胚胎的某些方面，以及它对临床的直接影响。当宾夕法尼亚州匹兹堡大学的干细胞生物工程师 Mo Ebrahimkhani 和他的同事在培养皿上培养 3D 模型时，他们注意到了微小血岛的出现。这些岛屿拥有血细胞的第一批祖先，包括被称为巨噬细胞的免疫细胞、产生血小板的细胞和含有血红蛋白的细胞。正如 Ebrahimkhani 在未发表的工作中发现的那样，这些模型可用于产生大量造血干细胞，这可能可用于癌症或遗传病患者的移植。

器官制作

大约三周时，胚胎开始持续一个多月的重要器官生长过程。几个团队已经研究了这种器官发生的各个方面，培养了仅类似于胚胎片段的模型——这可能比对整个结构进行建模具有更少的道德约束。

一种这样的模型概括了身体形成称为体节的重复片段的有节奏过程，这些节段产生了椎骨。今年早些时候，Fu 的团队描述了一个神经管模型，神经管是中枢神经系统的祖先，它有一个细胞宝库，包括一些神经元的前体。

但即使是这些模型也并非没有争议;Hyun 说，那些包含神经细胞的细胞引发了关于感知出现的伦理问题。

类胚胎模型的下一个前沿是将它们嵌套在更接近子宫的环境中，并研究胚胎如何与其内膜相互作用。研究人员已经表明，放置在构成子宫内膜的细胞上的胚泡可以钻入并正确融合。将胚胎模型与这种母体组织共培养可以帮助模型像自然胚胎一样发育。

一些科学家甚至进一步使用来自其他动物的细胞，包括非人类灵长类动物。例如，在未发表的工作中，上海中国科学院神经科学研究所的发育生物学家刘震在培养皿中培养了足够长的时间，以达到早期器官发生。

2023 年，Liu 将胚芽状体转移到 8 只猴子体内，其中 3 只猴子经历了在怀孕早期观察到的激素激增.胚芽体形成妊娠囊，但随后停止发育。转移到各自物种中的牛和小鼠胚泡也不能存活很长时间。

目前没有规定禁止将非人类胚胎模型移植到活体动物中，但 Hyun 担心，如果这种移植真的导致活产，那将引起对研究的强烈反对，并对使用人类胚胎模型的研究产生不利影响。他说，从猴子到人类的智力飞跃很容易。“你实际上不必做人体实验就会有相当大的担忧。”

什么时候是胚胎？

大多数研究人员都认为，今天的人类胚胎模型远非真实模型。加州大学洛杉矶分校（University of California， Los Angeles）的发育和干细胞生物学家、ISSCR胚胎模型工作组的联合主席阿曼德·克拉克（Amander Clark）说，正在制定指南的研究人员面临的主要挑战是确定“何时胚胎模型被视为等同于胚胎”。

鉴于道德规范禁止将胚胎模型移植到子宫中以查看它们是否能产生生物体，研究人员正在提出其他测试来测试它们的潜力。一些小组正在开发工具，以更好地将胚胎模型与真实胚胎进行比较，例如通过查看细胞的 RNA 图谱。但 Hanna 说，即使是这些基因表达练习也可能错过关键信息，例如胚胎中细胞的位置。

斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的干细胞和发育生物学家弗雷德里克·兰纳 （Fredrik Lanner） 说，评估和改进模型对科学和伦理都很重要。他说，如果模型不好，那么它们就没有用。“现在对我们来说，不要在糟糕的模型上浪费时间真的很重要”。

随着该领域开始提供对早期胚胎发育的真正见解，该标准设置尤为重要。Moris 说，已经出现了一些惊喜。最值得注意的是细胞切换角色的能力——它们的可塑性——以及它们的自我组织能力，通常不需要胚胎外组织的帮助。

一些模型甚至揭示了新的现象。研究人员早就知道，在一些哺乳动物中，在夏季受精的胚胎会“冬眠”并在稍后重新开始发育，因此幼崽在春季出生。在未发表的工作中，Rivron 和他的同事已经能够哄骗人类胚泡进入这种暂停发育的状态。

但他说，到目前为止，胚胎模型还没有带来具有社会价值的科学发现，目前尚不清楚哪些模型将帮助研究人员实现这一目标。

“过去有很多争论、争论，尤其是戏剧性”，沿着“我的模型比你的模型好”，Wu 说。他说，现实情况是，每个模型都是不完美的，但每个模型都是有用的。这只是取决于问题是什么。

自然 633， 268-271 （2024）

doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-02915-3