在2013年中的两个紧张星期中，发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz追求了一项世界纪录。她和她在英国剑桥大学的同事试图在实验室中培养人类胚胎的时间比以前更长。他们想收集洞见，了解微小的细胞团如何将自身转变成复杂的多部分结构。大约一个星期后，先前的努力停滞了，但是Zernicka-Goetz知道，在那之后，还有更多的人类发展知识。
研究人员从女性捐赠的胚胎开始，这些女性不再需要体外受精（IVF）程序。研究小组将细胞浸入特殊培养基中，并使用以前对小鼠胚胎的研究方法改编后的方法，将其置于培养箱中。由于样品必须保留在严格控制的环境中，因此科学家每天只能将样品取出一次或两次，以便在显微镜下跟踪其进展。
六，七，八分之一秒。而且，胚胎继续蓬勃发展。泽尼克·格茨回忆说：“你会屏住呼吸的。”“每一天都越来越令人兴奋。”团队首次尝试时达到了12天，最终延长到13天。他真是难以置信。她说，我很高兴。
他们的进步以及纽约市一个小组的类似壮举2，是过去五年中推动早期人类发展研究的少数成就之一。研究人员进入人类胚胎的途径一直很有限，而且他们对人类早期转化的了解还很少。但是现在，细胞培养方法的改进使他们能够在体外培养人类胚胎长达两周。科学家们正在使用诸如CRISPR之类的基因编辑技术，并构建人造胚胎样结构，以探索塑造胚胎及其组织支撑的细胞信号和物理力。
这些技术阐明了关键的早期过程，例如植入-当微小的胚胎将自身嵌入子宫壁并可以直接进行研究时。新的高分辨率数字图像在细节上揭示了肌肉和神经在发育几周后如何生长。这些发现可以使人们更好地了解先天缺陷和发育障碍的发生方式，以及某些妊娠失败的原因。
但是，随着他们的承诺，这些新技术将研究人员推向未知的道德领域。从1970年代后期开始，伦理学家和科学家就“ 4天规则”趋于一致。这将人类胚胎的工作限制在受精后的两周之内，这是神经系统的最初提示出现以及胚胎可以分裂的最后一个时刻。到目前为止，国际公认的14天规则只是一个纯粹的假设限制。生物伦理学家约瑟芬·约翰斯顿（Josephine Johnston）在纽约加里森的黑斯廷斯中心说，“这不是任何人都在反对的规则”。“现在在技术上是可能的。”？/ p>
使用说明书
在整个动物界中，许多早期的发育过程令人惊讶地相似，每个物种都在此处调节一些基因或在那里发出信号。在哺乳动物中，科学家们对小鼠分子指导手册的研究最多，可以逐个禁用基因以测试它们的功能。小鼠容易获得实验所需的数量，并且被认为是研究人类胚胎发育的良好代表。在这两个物种中，最早的细胞类型和成分似乎很多。但是研究人员开始怀疑这些相似性到底能走多远。多伦多病童医院的发育生物学家珍妮特·罗森（Janet Rossant）说：“我们能够稍微探索一下人类的早期发育，很明显，小鼠和人类的胚胎是相似的，但并不相同。”加拿大。
由于人类组织的供应有限，科学家们转向了诸如CRISPR-as9之类的高效基因编辑技术，以探索胚胎发育的早期阶段。部分原因是由于围绕胚胎基因修饰的伦理敏感性，到目前为止，只有少数几个小组获得了进行此类研究的授权。
在伦敦的弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute），发育生物学家凯西·尼亚坎（Kathy Niakan）领导了此类项目，该项目获得了国家监管机构的批准。2017年，她的团队报告了使用CRISPR-as9编辑在人类和小鼠胚胎干细胞中表达的基因3。破坏了该基因的人类胚胎缺乏一种称为OCT4的蛋白质，未能发育成大约200个细胞的囊胚。相比之下，缺乏相同基因的小鼠胚胎会形成胚泡，并且只会在以后衰落。
这种差异支持了这样一个不断增长的观念：即使在非常早期的发展中，某些遗传细节（例如某些基因处于活跃状态）也可能是人类特有的。尼亚坎说：“我们知道，大多数试管婴儿的胚胎将无法发育到胚泡期。”原因尚不清楚。“了解哪些途径可能负责指定胚胎中的第一种细胞类型，可能会导致IVF的改善。”在未来的工作中，Niakan希望检查能使微小囊胚细胞构成胚胎的人类基因。而不是支持诸如胎盘之类的组织。
找家
开花到200个细胞的球后，小胚泡必须嵌入子宫壁才能生存。但是一旦发生这种情况（大约在第七天），科学家们基本上就无法研究其发展。观察植入过程本身是第一个挑战：直到最近，研究人员还缺乏可靠的方法来维持胚胎发育超过第一周。
现在，科学家们已经打开了那个黑匣子。在2016年5月发表的两篇论文中，纽约洛克菲勒大学的Zernicka-Goetz小组1和Ali Brivanlou小组2报告了第一个可以培养人类胚胎12到3天的培养系统。研究人员表明，通过正确生长因子和营养的混合物，培养中的人类胚胎可以“植入”到培养皿的底部。值得注意的是，胚胎不需要任何母体组织来触发植入后发生的早期重塑步骤。Brivanlou回忆说：“这让我感到震惊。”“泪会以为人类的胚胎在附着后一两天甚至都不可能消失。”
锁在盘子上的胚胎比真实的东西平整。（Brivanlou将附着过程比喻为降落伞着陆。）但是，培养的胚胎仍然达到了动物实验以及流产后和其他来源收集的人体组织样本的有限研究所预期的几个里程碑。在最新的实验中，胚胎附着在培养皿上之后，外层细胞开始分化为早期胎盘和其他支持胚胎生长的细胞类型。在内部，细胞似乎发展为胚胎固有的先兆和卵黄囊-一种向胚胎供血的早期结构。经过将近两个星期的时间，两支队伍都按照14天的规则结束了实验。
到那时，一些胚胎的发育已经停滞了，但是研究人员说，随着进一步的改进，这些培养系统可以帮助在头两周发现更多有关胚胎的细节。
第三周发生了几个关键事件，称为胃化。胚胎开始发展为一条长着头的身体轴。细胞开始迁移并分化为三层，最终将产生所有人体器官和组织（请参见“步骤”）。此过程的重要性是施加14天道德限制的主要原因。
但是一些研究人员正在寻找替代方法，使用人类干细胞技术来构建合成的类胚胎结构，但14天规则并未涵盖。这些构建物缺少完整发育必不可少的某些组件，并且如果植入人体也无法产生人类。2014年，洛克菲勒大学的Brivanlou，Eric Siggia及其同事报告了使用特异生长的人类胚胎干细胞在体外模拟胃造瘘4。他们发现，当干细胞被局限在几百微米的圆形内生长时，它们就会分化成一个包含三种主要细胞类型的靶心图案，从而构成了未来人体的所有部位。在几乎所有的动物中，从扁虫到灵长类动物，都发现这些细胞类型具有相似的作用：中心细胞变成皮肤，大脑和神经系统。在下一个环中，肌肉，血液，骨骼和各种器官；以及在外圈，消化道和呼吸系统。
扁平的环看上去不像在真正的人类胚胎中形成的3D双层三明治，但在细胞和分子水平上，该结构确实达到了研究人员的预期。Siggia实验室前博士后Aryeh Warmflash说：“提供了一个我们可以真正解析信号传导途径与细胞命运之间关系的系统。”
该系统的后续研究已经揭示了有关胚胎细胞如何利用几何形状和化学成分自组织成不同组织类型的新细节。2016年，Brivanlou，Siggia及其团队5证明了干细胞可以感知其在环状菌落中的位置，并据此调整它们对称为生长因子的分子的反应方式，从而帮助形成细胞的离散区域。在2017年发布到bioRxiv服务器的预印本中，得克萨斯州休斯敦莱斯大学的Warmflash小组证明了生长因子的动态也起作用。研究人员发现，特定的一组蛋白质（统称“节点”途径）发出的信号激增从菌落周边向内扩散，就像一波波，在其尾迹中留下了不同的细胞类型。
Brivanlou研究小组进一步研究了该系统，5月7日表明，用生长因子的组合处理这些类型的菌落会诱导“干rganizer”细胞的形成。在动物中，这些特殊的细胞引导它们的邻居形成头对尾的轴。但是，部分由于14天规则，科学家们从未见过人类组织细胞在起作用。鉴于使用人类胚胎的伦理和技术局限性，Brivanlou而是将假定的人类组织细胞簇移植到正在发育的雏鸡胚胎上，并观察到移植细胞指导雏鸡细胞发育成第二只鸡神经系统。
生命保障
关于人类早期发育的许多研究都集中在胚胎本身上，但是许多其他组织对其存活至关重要。其中包括容纳胚芽的羊膜囊和提供氧气和营养的胎盘。
为了更好地研究羊膜囊如何发育，研究人员使用人类干细胞创建了一个模型。去年8，位于安阿伯市的密歇根大学的发育生物学家Deborah Gumucio和生物工程师傅建平及其同事表明，当人类干细胞在凝胶床上生长并被天然支架分子包围时，这些细胞会自组织成团类似于羊膜囊。大约24小时后，一个洞打开了，随后，细胞开始在一侧变平而在另一侧变长，这是导致胃气化的过程的特征。
该模型仅复制胚胎的核心及其囊，而其他任何支持组织都不需要生存。但是，研究人员仍然能够识别出一些分子信号，这些信号可能有助于引起这种不对称结构。古姆西奥说：“在这里可以找到很多好的信息，没有理由以任何方式推动这一过程接近于制造胚胎。”科学家将其类胚胎培养物维持长达5天，大约相当于9至4天的发育天，此时他们结束了实验。
Zernicka-Goetz团队正在尝试开发更完整的结构。在2017年，研究小组培养了两种类型的小鼠干细胞的混合物：一种是形成胚胎本身的细胞，另一种是有助于形成胎盘的细胞，称为滋养层干细胞。嵌入3D支架中，这种合成结构在植入后生长为类似于胚胎的结构9。现在，研究人员正在研究使用人类干细胞创建类似的胚胎样构建体。这样的发展可以帮助科学家更多地了解胚胎组织和胚外组织（例如胎盘）之间的串扰。
随着一些实验室开发这些日益复杂的合成模型（称为胚胎模型），道德问题开始冒泡。缅因州巴港市杰克逊实验室的干细胞生物学家马丁·佩拉（Martin Pera）说：“泪水确实是一个灰色地带。”“我们认为这些结构正在发展吗？”许多伦理学家和科学家都同意，目前的合成胚状体版本过于简单，以至于无法在14天的规则之内。但是，俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的生物伦理学家Insoo Hyun说，定义哪些特征可以使类胚足够真实是一个挑战。“他有潜力在14天之内构建出更远的东西，如果将其植入子宫，它就有可能发展。” / p>
健美运动
研究人员还在逐步开发细节方面取得了长足的进步。其中许多进步来自更好的组织染色和成像。在2016年《科学》杂志的一份报告中，阿姆斯特丹大学学术医学中心的研究人员对华盛顿特区卡内基科学研究院保存的一系列组织中的15,000片切片进行了数字化处理。该收集馆收集了从流产，外科手术和尸检中获得的样品，这些样品始于1880年代，一直持续到20世纪上半叶。荷兰研究10涵盖了发展的最初两个月，研究人员以数字方式在单个切片上追踪了多达150个器官的轮廓，然后对齐这些切片以重建原始胚胎的3D模型，可以作为交互式地图集使用。
高分辨率研究胚胎已经导致了一些发现。例如，研究小组发现10，被认为会上升的肾脏和被认为会在发育过程中下降的性腺，似乎只是在体内上升和下降，因为它们与椎骨的生长速度不同。
但是卡内基收集的一个主要限制是缺乏分子标记，这使得难以区分不同的细胞类型。为了解决这些问题，法国国立卫生与医学研究院（INSERM）的Alain Ch茅dotal于2017年发布了一份新的3D图集，涵盖了人类发展历程6至4周的36个人类胚胎和胎儿11。Ch茅dotal和他的团队对捐赠的标本进行了组织清除处理，以使标本更易于在显微镜下成像，并对它们进行染色以突出显示各种细胞类型。
生成的3D图像以高分辨率的细节显示了神经，肌肉，肺和其他器官的发育情况。华盛顿特区霍华德大学医学院的瑞·迪奥戈（Rui Diogo）说：“细节方面，以前没有像以前这样的东西了。”他挖掘了数据集以获取有关肢体肌肉如何发育的信息。
在尚未发表的结果中，Diogo团队观察到了许多手脚肌肉在开发过程中消失或融合。他说：“当我们是胚胎时，我们拥有成年后没有的肌肉。”丘多塔尔还指出，在其他意想不到的发现中，尽管左手和右手的神经总组织相似，但在最初的7-1周中，每只手的细小分支模式会发散并沿着不同的路径突出。
发展领域
随着科学家不断完善和改进自己的技术，他们希望对人类的发展有更多的了解，并阐明孕育和出生缺陷的原因。
随着最早的胚胎成为人们关注的焦点，关于道德极限的讨论也同样如此。Zernicka-Goetz和Brivanlou的扩展实验导致一些人提出，重新评估14天规则的利弊时机已经成熟。5月，赖斯大学贝克健康与生物科学学院中心举办了一次由30名美国科学家，伦理学家和其他专家（包括Brivanlou和Johnston）组成的会议，讨论是否以及如何移动边界。参加活动的玄yun说：“泪水保持14天规则最好，并有一个特殊的请愿书作为例外，这更好。”
随着这项研究结果的积累，技术进步激发了科学家之间的迷恋和不安。约翰斯顿说，两者都是有价值的反应。她说：“那种惊奇和敬畏的感觉提醒我们，这是人类的最早版本，为什么这么多人有道德上的疑虑。”“提醒我们，这不仅是一碟中的几个细胞。” / p>
自然559，19-22（2018）
