2013年年中的两个星期，发育生物学家玛格达莱纳·泽尼卡-格茨（Magdalena Zernicka-Goetz ）非常忙碌，因为她正在追逐一个世界纪录。泽尼卡-格茨和她在英国剑桥大学的同事正试图在实验室培育人类胚胎，而他们要培育的胚胎比以往任何时候都要长！

泽尼卡-格茨他们想要更深地了解一团微小的细胞是如何将自身转变成一个复杂的多部分结构。在研究开始的一星期后，研究团队不得不考虑终止胚胎发育，泽尼卡-格茨很清楚，在人类胚胎发育这个大问题上，除了研究本身，我们还有很多东西要处理，比如说伦理。

近日，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，来自剑桥大学等机构的科学家们通过研究利用胚胎干细胞开发出了一种新型模型来研究人类的早期发育阶段。这种模型类似于18-21天大小的胚胎的一些关键元素，其能帮助研究人员观察到人类机体形成的潜在过程，这是以前从未直接观察到的，而理解这些过程则能够帮助研究人员揭示人类出生的缺陷和疾病发生的原因，同时就能在孕妇群体中开展相关的检测。他们利用胚胎干细胞，构建出了首个人的类原肠胚模型（gastruloid）！这让研究人员可以观察到胚胎发育18-21天左右的发育情况[1]。

这种计划或机体蓝图是通过一种名为“原肠胚形成”的过程开始的，在原肠胚形成过程中，胚胎会形成三层不同的细胞，这些细胞随后会转化成为机体的主要系统，即外胚层会形成神经系统，中胚层能形成肌肉，而内胚层则能够形成肠道。

对于科学家来说，人类早期胚胎发育是一个黑匣子，从20世纪70年代末开始，伦理学家和科学家就“14天法则”达成了一致。但麻烦的是，很多由酒精、药物、感染和化学物质导致的先天缺陷都是在这个黑匣子时期产生的，另外，一些遗传疾病、流产和不育问题，可能也和这一时期的发育有关。

研究的通讯作者之一，剑桥大学的发育生物学家Naomi Moris表示[2]，这项研究最令人兴奋的结果在于，他们构建的模型成功形成了对称的横跨头尾轴的细胞群，遗传分析表明，这些细胞是最终会在躯干、椎骨、心脏和其他器官中形成肌肉的细胞。这个模型将帮助研究人员搞清楚在发育过程中，导致缺陷和疾病的发育模式如何出现，以及在什么时候，在哪里出现。“这是一个新的系统，它会为我们引出一系列的问题。”

研究者Alfonso Martinez-Arias教授说道，我们所开发的模型能够产生一部分人类蓝图，这项研究中，我们所开发的模型能利用人类胚胎干细胞来产生一种名为“类原肠胚”（gastruloids）的一种细胞三维组装模块，随后其能够分化为三层，其组织方式类似于早期人类机体计划那样。

其实类原肠胚的构建早在十几年前就开始了，2008年和2009年，两个团队分别成功构建了初步的小鼠类原肠胚[3,4]，之后，此次研究的另一名通讯作者，剑桥大学遗传系的Alfonso Martinez Arias教授在此基础上，阐明了培养的类原肠胚是如何产生和早期胚胎发育过程相似的变化的[5]。

虽然小鼠在胚胎结构和遗传上与人类不同，小鼠胚胎干细胞的培养条件不能照搬，但思路是可以借鉴的。

类原肠胚并没有潜力发育成为完全成型的胚胎，其也并没有脑细胞或植入到子宫内所需要的任何组织，这就意味着他们永远无法超越最早期的发育阶段，因此其也会符合当前科学界的道德标准。

通过对发育到72小时的人类类原肠胚组织中的基因表达情况进行分析，研究人员发现了一种非常明显的标志信号，其能促进诸如胸肌、骨骼和软骨等重要身体结构的发育，但并不会发育为脑细胞。

最后研究者Naomi Moris博士表示，这是一种非常令人兴奋的新型模型系统，其能帮助我们首次在实验室中揭示并探索早期人类胚胎发育的过程，该系统是模拟人体计划出现的第一步，同时其或许也能帮助研究其它人类胚胎发育问题出现的原因，比如出生缺陷症等。

Moris表示，她比较关心的是，她们为胚胎干细胞提供了“物质支持”，这些细胞是如何自我组织，发育成不同的胚层的，这要是未来团队的研究重点。搞清楚了这点，或许很多先天缺陷和自然流产的根本原因就找到了。因此，她表示，“拥有简化的早期胚胎模型是有益的，因为还有很多问题可能是我一生都无法回答的。”[6]

随着研究结果的不断积累，技术上的进步激起了科学家的兴趣，同时也加剧了他们的不安。“这是种惊奇而又敬畏的感觉，我们正在触及人类早期的秘密，因此很多人在道德上与伦理上产生了疑虑，”约翰斯顿说道。“这些疑虑是很好的提醒，即我们在培养皿中研究的东西绝非几个细胞那么简单！”

参考资料：

[1] Moris, N., Anlas, K., van den Brink, S.C. et al. An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2383-9

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01757-z

[3] ten Berge D, Koole W, Fuerer C, et al. Wnt signaling mediates self-organization and axis formation in embryoid bodies[J]. Cell stem cell, 2008, 3(5): 508-518.

[4] Marikawa Y, Tamashiro D A A, Fujita T C, et al. Aggregated P19 mouse embryonal carcinoma cells as a simple in vitro model to study the molecular regulations of mesoderm formation and axial elongation morphogenesis[J]. Genesis, 2009, 47(2): 93-106.

[5] Van den Brink S C, Baillie-Johnson P, Balayo T, et al. Symmetry breaking, germ layer specification and axial organisation in aggregates of mouse embryonic stem cells[J]. Development, 2014, 141(22): 4231-4242.

[6]https://www.sciencemag.org/news/2020/06/balls-cells-mimic-unseen-stage-human-embryo-development