這個完整的14天合成人類胚胎模型非常具有潛力，可能開啟許多研究方向的新途徑，如不孕症、藥物測試以及移植組織生長，同時也能幫助科學家窺探胚胎發育初期數週的戲劇性變化。

由以色列魏茲曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）Jacob Hanna 教授帶領的研究團隊已經成功利用實驗室內培養出的幹細胞創造了完整的人類胚胎模型，並成功在子宮外培育至第14天。正如今天在《自然（Nature）》期刊上的報導，這些合成胚胎模型具有該階段特有的所有結構和區室，包括胎盤、卵黃囊、絨毛囊，以及其他外部組織，這些組織對於確保模型能動態地、充分地生長不可或缺。

在先前的研究中，由人類幹細胞衍生的細胞團不能算是真正準確的人類胚胎模型，因為它們缺乏幾乎所有著床後胚胎的明確特徵。特別是它們未能包含對胚胎發育至關重要的幾種細胞類型，例如形成胎盤和絨毛囊的細胞類型。此外它們不具有胚胎特有的結構組織，並且沒有表現出能夠進展到下一個發育階段的動態能力。

鑑於其複雜性，Hanna 教授團隊獲得的人類胚胎模型可能會提供一個前所未有的機會，讓研究人員揭開胚胎的神秘起源。由於倫理和技術的原因，早期胚胎的研究非常困難，因此對它的了解很少。然而胚胎的初始階段對其未來的發展至關重要。在這些階段，細胞團在其生成的第七天，在子宮著床並在三到四週內會發育成一個已經包含所有身體器官結構良好的胚胎。

Hanna 教授說：「第一個月充滿了戲劇性的變化，剩下的八個月孕期主要是用來生長。不過第一個月內發生的變化仍然存在黑盒子中。由幹細胞衍生出的人類胚胎模型提供了我們一個倫理上可接受且易於理解的方法來窺探這個黑盒子。它密切模擬了真實人類胚胎的發育，尤其是其精細結構的出現」。

讓胚胎模型自主發展

Hanna教授的團隊基於他們先前創建小鼠合成幹細胞胚胎模型的經驗並加以改善。與先前的研究相同的是科學家們沒有使用受精卵或子宮。相反，他們使用稱為富潛能幹細胞（pluripotent stem cells）的人類細胞開始，這些細胞具有分化為許多（但不是全部）細胞類型的潛力。其中一些源自恢復到「幹細胞性」的成年皮膚細胞。其他則來自實驗室中培養多年的人類幹細胞株。

研究人員接著使用Hanna教授最近開發的方法將富潛能幹細胞重新編程，使這些細胞的時鐘進一步倒轉：將這些細胞恢復到稱之為純真狀態的一種更早期的階段，在這種狀態下，它們能夠特化為任何類型的細胞。這個階段相當於人類自然胚胎的第7天，大約是它在子宮中著床的時間。事實上，Hanna教授的團隊早在2013年即首次開始描述生成人類純真幹細胞的方法；他們多年來不斷改進這些方法，並且為當前研究計劃的核心。

科學家將細胞分為三組。用作發育胚胎的細胞保持原樣。其他兩組中的細胞無需基因修改，僅使用化學物質進行處理以啟動特定的基因，意圖使這些細胞分化為維持胚胎所需的三種組織之一：胎盤、卵黃囊或最終形成絨毛囊的胚外中胚層膜。

在最佳化且專門設計的條件下混合後，這些細胞會形成團塊，其中約1％的團塊會自我組織形成完整的類胚胎構造。「胚胎在定義上是自主驅動的；我們不需要告訴它該做什麼，我們只需釋放其內部編碼的潛力」，Hanna教授說。「很重要的是在開始時混入正確類型的細胞，這些細胞只能來自沒有發展限制的純真幹細胞。一旦這樣做，類似胚胎的模型本身就會說：『行動！』」

這種基於幹細胞的類胚胎結構（簡稱SEMs）在體外正常發育了8天，達到了相當於人類胚胎發育的第14天的發展階段。這是自然胚胎長出內部結構的時刻，使它們能夠進入下一個階段：發展成身體器官的先驅細胞。

完整的人類胚胎模型在結構和細胞特性上與經典圖表相對應

當研究人員將他們的幹細胞衍生胚胎模型的內部組織與1960年代經典胚胎學圖譜中的插圖和顯微解剖部分進行比較時，他們發現模型與相應階段的自然人類胚胎之間存在驚人的結構相似之處。每個區域和支持結構不僅存在，而且位置、大小和形狀都正確。甚至是懷孕測試中所測試的激素的製造細胞也存在並且活躍：當科學家使用於商用懷孕測試劑對這些細胞的分泌物進行測試時，結果呈陽性。

這意味著他們的模型忠實地模擬了早期胚胎獲得所有必要結構以開始轉變為胎兒的過程。Hanna教授說：「很多懷孕失敗發生在最初的幾週，通常在女性甚至不知道自己懷孕的時候。這也是很多出生缺陷起源的時期，即使它們往往在很晚期才被發現。我們的模型可用於揭開在這些確保早期階段正確發育的生化與機械訊號，以及這些發育可能出錯的方式。」

事實上，這項研究已經有了一項發現可能開啟對早期懷孕失敗的新研究方向。研究人員發現，如果在實驗流程的第3天（對應自然胚胎發育的第10天）胚胎沒有以正確的方式被胎盤形成的細胞包裹，其內部結構（如卵黃囊）將無法正確發育。

Hanna教授說：「胚胎不是靜態的。它必須在正確的組織中擁有正確的細胞，並且必須能夠進展；這與存在和成長有關。我們的完整胚胎模型將幫助研究人員解決有關決定其正常發育的最基本問題。」

使用這種符合道德倫理的方法來解開胚胎發展最初階段之謎可能得以開啟眾多研究途徑。它可能有助於揭開許多出生缺陷和不孕症的原因、它還可能引領用於培養移植組織和器官的新技術。而且它可以進行過許多過去無法在活體胚胎上所進行的實驗，例如確定藥物或其他物質對胎兒發育的影響。

資料來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/human-embryo-models-grown-stem-cells