图注：在实验室内培育人类胚胎。（图/托比·利）
出品|网易科学人栏目组翟中超
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。
有些女性捐献过卵细胞，而现在她们不需要再进行体外受精了，研究人员就用这些卵细胞展开胚胎研究。研究小组将细胞浸泡在一种特殊的培养基中，并将其安置在保温箱中，这和之前研究小鼠胚胎的方法是一样的。因为样本必须放在严格控制的环境中，所以科学家每天只能将这些样本取出一两次，以在显微镜下追踪进展。
日子一天天过去，6天、7天，到了第8天，胚胎仍在继续茁壮成长。“我们都屏住了呼吸，”泽尼卡-格茨回忆道。“一天天变得越来越激动人心。”这支团队将试验进行了12天，这是最长的一次，最终他们进行了13天。“这真是难以置信，我对此很兴奋，”泽尼卡-格茨说道。
泽尼卡-格茨团队取得的进步，以及纽约的一个研究团队所做的类似壮举，是过去5年里此领域为数不多的几项成就之一，他们都致力于促进早期人类发展的研究。研究人员对人类胚胎的接触一直有限，而且他们对人类胚胎的早期转变知之甚少。但现在，细胞培养方法的改进使研究人员在体外培养人类胚胎的时间增长至两周。科学家利用基因编辑技术，如CRISPR技术，来构建人造胚状结构，以探索形成胚胎的细胞信号和物理作用力（也可理解为环境因素），因为后两者对塑造胚胎及胚胎的支撑组织起到重要作用。
这些技术在早期主要流程中很重要，比如说着床，着床就是胚胎在很小时将自己嵌到子宫壁上，而到了这个阶段，科研人员也就没法直接对胚胎的进展进行研究了。新的高分辨率数字图像技术这是就用上场了，这种技术可以很好地揭示胚胎肌肉和神经在未来几周后的发育过程。研究这些，我们就能更好地理解先天缺陷和发育障碍是如何产生的，还能了解为什么有些怀孕会失败。
新技术帮了大忙，但同时也将研究人员推向了未知的伦理领域。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。也就是说，对人类胚胎的研究限制在受精后的两周内，因为两周时胚胎就可能第一次表现出有神经系统的迹象，这也是胚胎分裂的前兆。直到如今，国际公认的14谈法则一直是一个纯粹的假设限制，因为我们是根据对除人外的其他动物的研究来定的时间红线。“并不是每个人都认可这个法则，而且现在在技术上可以突破这一法则。”纽约加里森黑斯廷斯中心的生物伦理学家约瑟芬·约翰斯顿（Josephine Johnston）说道。
胚胎操作指南
整个动物界，许多早期发育过程都有着惊人的相似性，每个物种都会在这一阶段调整基因或细胞信号。在哺乳动物中，科学家研究最多的是小鼠的胚胎，他们会将每个基因挨个禁用，以测试每个基因的作用。研究小鼠以获得数据相对容易，而且小鼠也被认为是研究人类胚胎发育的良好指标，因为小鼠和人的许多早期细胞类型和成分比较相似。但研究人员现在开始质疑这种相似之间的差异究竟有多大。“我们多少已经能够探索一点人类早期的发展的情况，但有一点很明显，老鼠和人类胚胎相似，但相似并非一模一样，”加拿大多伦多儿童医院的发育生物学家珍妮特·罗森特（Janet Rossant）说道。
图注：人类胚胎分裂过程图示。几十年来，由于技术有限，研究人员只能利用动物实验或对组织样本的研究来揣测人类胚胎发育的早期过程。现在技术发展了，科学家能在实验室内培育人类胚胎，还能利用人类干细胞培养胚状结构。科学家利用基因编辑技术阻断了人类胚胎早期发育阶段中一个重要的蛋白质，这个蛋白叫Oct4，Oct4一被阻断，胚胎就无法发育成200细胞囊胚。为什么要提Oct4呢？这回答了上文的疑问，因为小鼠胚胎发育后期Oct4活动就不明显，这就是人和小鼠在胚胎发育早期阶段的不同点之一。正是这些小进步、小发现，科学家才能逐渐打开人类早期胚胎发展的黑匣子。（图/诺拉·福格蒂；凯西·尼亚坎）
可用于试验的人体组织比较有限，于是科学家开始利用高效的基因编辑技术，比如说CRISPR–Cas9，来探索胚胎发育的早期阶段。到目前为止，只有少数几个研究团体获得了开展此类研究的授权，部分原因大家都能猜到，因为胚胎基因改造具在伦理上比较敏感。
在伦敦弗朗西斯·克里克研究所，发育生物学家凯西·尼亚坎（Kathy Niakan）领导着此领域第一个获得国家监管结构批准的研究项目。2017年，凯西的团队报告称，他们使用CRISPR–Cas9技术来编辑人类和小鼠胚胎干细胞中的一个基因表达，就是把上文中提到的Oct4蛋白质去掉。去掉之后，人类早期胚胎成不了囊胚了，而小鼠的却能形成囊胚，但后期发育也会接近停滞。
科学界有一种观点受到越来越多的支持，即，在非常早期的发展中，某些基因细节，如某些基因的活跃性可能只针对人类有用，上面提到的人和小鼠的对比试验就是例子。“大多数体外受精胚胎无法发育到囊胚阶段，但目前尚不清楚原因，搞清楚哪一步会决定或影响胚胎中第一个细胞类型将有利于我们改善体外受精成功率。”尼亚坎说道。在未来的工作中，尼亚坎希望研究人类哪些基因会使一小部分囊胚细胞继续发育成更成熟的胚胎。
何处是我家
在形成一个有着200细胞的小球后，小囊胚必须嵌入子宫壁才能存活，这一过程大概在受精后第七天进行。但是一旦囊胚嵌到子宫壁上，科学家也就在很大程度上无法继续研究接下来的发展情况。观察着床过程本身就是第一个挑战，在最近之前，研究人员一直缺乏可靠的方法来维持胚胎发育超过第一周。
现在，科学家打开了第一个挑战的黑匣子。在2016年5月发表的两篇论文中，泽尼卡-格茨团队和纽约洛克菲勒大学阿里·布里瓦卢团队报告了第一例能够将人类胚胎培育12至13天的培养系统。研究人员发现，有了正确的生长因子和营养成分，培养基中的人类胚胎就能“植入”到培养皿底部的表面上。值得注意的是，胚胎不需要任何母体组织来触发“植入”后的早期重构步骤。“我对此感到很震惊，”布里瓦卢回忆道。“我本以为在实验室中胚胎进行这种附着后活不了一两天。”
实验中，胚胎附着的培养皿要比真正的子宫壁平整的多，这是和实际情况不同点之一。但即便如此，人工培养的胚胎还是创造了几个里程碑，而此前，我们只能利用动物实验，或者用流产后收集的人类组织样本进行有限的研究。在最新的实验中，
当胚胎附着在培养皿上后，外部细胞层开始分化为早期的胎盘以及其他细胞类型以支持胚胎的成长。在内部，细胞似乎发展成胚胎的前体和卵黄囊，而卵黄囊是为胚胎提供血液的早期结构。大概两周后，两个研究小组按照14天法则都结束了试验。
试验结束了，一些胚胎的发育过程也就结束了。但研究人员表示，如果下一次进行进一步优化，这些培养系统就可以帮助我们发现胚胎头两周发育的更多细节。
图注：即使不植入子宫，胚胎也能自我组织。图片上半部分，体外培养胚胎中的细胞开始分化成多种细胞类型，其中紫色部分将变成更成熟的胚胎，而羊膜腔也在形成，羊膜腔将围绕着胚胎而成长。在动物当中，从第15天开始，从头到尾的身体中轴以及神经系统开始出现。但有科学家对人类干细胞培养出的胚胎进行研究发现了不同的结果，他们对14天法则提出了不同的意见。（图/玛格达莱纳·泽尼卡-格茨团队；尼克·斯藩塞）
