人造卵子孕育新生命

编辑:薄荷绿℡ 2019-07-25 12:20:46

【环球科技】

在日本九州大学生殖生物学家林克彦(KatsuhikoHayashi)的实验室里,小鼠在笼子里窜来窜去,看起来平平无奇。它们奔跑、进食、睡觉,跟其他同类完全一样。但是,这11只啮齿类动物的来历很不寻常。两年前,林克彦在《自然》杂志上发表论文称,这些黄褐色小鼠并非来自精子和卵子结合,它们的母系血统源于重编程的皮肤细胞。

如此令人惊异的实验成功意味着,或许有朝一日,人类能只用血液和皮肤细胞,就能孕育出一个新生命,而这对于由于某种原因不能自己生孩子但强烈渴望孩子的家庭或个人来说,无疑是个大福音。

1.神奇的干细胞

林克彦的小鼠实验进展之所以令其他研究人员赞叹不已,是因为它实现了科学家在1997年诞生的一个设想。当时,科学家在20世纪70年代的青蛙克隆工作的基础上,成功克隆了多利羊,并使人们认识到,每个动物细胞都有一套相同的基本指令。通过把绵羊的乳腺细胞转化成一头活体动物,多利的创造者们证明,每一个哺乳动物细胞都有相同的基因,乳腺细胞与其他细胞的不同之处仅仅在于哪些基因可以表达,哪些不能表达。

对于林克彦和其他科学家来说,克隆羊研究开创了一个干细胞生物学的新领域,他们设想,只要设计出正确的实验流程,就能将哺乳动物细胞重编程,使其转变成任何一种细胞,比如神经元或者卵子。世界上有一些研究人员,包括林克彦在内,正在循着这一思路,实现体外配子形成(gametogenesis)——用成体细胞产生卵子和精子。

生殖科学家和一些生育困难的夫妻密切关注着林克彦的进展,以及类似的科研工作,例如有研究者成功把啮齿类动物干细胞(一种祖细胞,能够发育成任何类型的特化细胞)转化成未成熟的精子。如果这类制造卵子和精子的技术能够在人类身上奏效,那么我们就可以用血细胞和皮肤细胞取代有缺陷的生殖细胞。在这种情况下,男性不用为缺乏健康的精子烦恼。女性也不用为30岁后生育能力下降而发愁,事实上任何年纪的女性都可以用少量血液得到一群卵子。而不论性别的两个人或许有朝一日也可拥有与两者都存在血缘关系的孩子。

这样的未来令人向往,但仍相当遥远。多年来,研究者一直在动物实验中为卵子和精子这两种多数哺乳动物繁殖必需的细胞寻找可靠替代品,但结果让人失望。即便是这些在小鼠身上进行的非常初步的实验,已经导致科学界针对其最终在人类身上的应用提出了诸多伦理问题。

2.在实验室中培育卵细胞

为了确保这种生殖方式在小鼠身上取得成功,林克彦的团队需要把一些之前的研究成果结合起来。2010年,他们开始尝试点击细胞的“复位”按钮,让它们回到分化之前的状态。他们的第一步是重复2012年诺贝尔奖得主、日本京都大学的山中伸弥(ShinyaYamanaka)开发的一套流程。

首先,研究人员从成年小鼠尾巴上刮下皮肤细胞。然后向细胞注射一种化学混合物,其中含有4种特殊基因,能把成体细胞转变为胚胎干细胞(胚胎中的早期细胞)。接下来,他们采用了本世纪初期阿齐姆·苏拉尼(AzimSurani)和斋藤通纪(MitinoriSaitou)的遗传学研究成果——前者现任职于英国戈登研究所,后者当时在苏拉尼实验室工作,他们都曾是林克彦的导师。在这项研究的帮助下,林克彦的团队弄清楚了哪些基因是诱导胚胎干细胞分化为卵子的前身——原始生殖细胞的关键。

这里有个问题:原始生殖细胞既能够发育成精子,也能成为卵子,它仍然像典型的动物细胞一样,有两套染色体。而生殖细胞只含有一套染色体,要么来自父亲,要么来自母亲,生殖细胞形成过程中必须经过两次减数分裂。对于雌性来说,第一次细胞分裂发生于胚胎时期,也就是原始生殖细胞迁移进入生殖系统时。第二次分裂发生在排卵期,此时在激素的作用下卵子最终发育成熟。在得到原始生殖细胞后,林克彦等人将它们放回小鼠体内,完成了卵子发育——这是当时技术所能做到的极致。然而,想在培养皿中产生有活力的卵子,研究人员必须了解并重建卵子发育途径中的每一个步骤。

科学家发现,成功的关键在于更小心地模拟自然状态。他们花费了多年时间,调整培养基配方,让转化而来的卵细胞能在其中生长。当林克彦团队在培养基中加入了取自其他小鼠胚胎的卵巢细胞时,实验取得了重大突破。这些细胞分泌出激素混合物,实质上创造了一个类似卵巢的环境,让细胞误以为自身还在体内。此外,科学家还改变了培养基流体的黏度,来模拟小鼠体内的流体环境。

在获得了正确的培养基,成功地在实验室中培养出卵细胞后,研究者的下一个步骤就和一般的体外受精很相似了。研究人员首先让成熟卵子和普通的小鼠精子在实验室中结合。几天之后,他们用微小移液管移出发育良好的胚胎,把它们注射到母鼠体内发育20天。最后,在经历流产、胚胎不能植入、死胎等多次失败之后,终于得到了一只健康的幼鼠,后来又得到了10只。

不过,这个方法还远不够完善。在林克彦团队长达5周的卵细胞培育过程中,几百个干细胞中只有16个存活下来。接下来的步骤也充满危险。当科学家用实验室培育出的卵子与精子结合时,只有1%由皮肤细胞转化来的卵子最终能够变成健康的幼鼠(而从成年小鼠体内取出卵子进行体外受精的成功率是62%)。但是科学家证明了该方法是可行的。那11只幼鼠正常而健康地生长。它们甚至能够交配,生出自己的幼鼠。

3.治疗不孕不育

很多人需要辅助生殖技术。在美国,超过10%的男性,以及类似比例的女性被诊断为不孕不育。解决这类问题的方法非常费事,还常常失败。比如,做试管婴儿需要女性接受1~2周的激素注射,排出多个卵子,之后再让少数卵子在实验室中受精,然后选择1~2个植入女性子宫。做试管婴儿非常昂贵,费用动辄高达2万美元,而且还有大约65%的体外受精会失败,通常是由于卵子质量不高。另外,对于那些没有健康卵子或精子的患者,试管婴儿的方式也无能为力。

显而易见,利用人体血细胞或者皮肤细胞来孕育孩子是一个诱人的选择。医生可以提取一小管女性的血液,而不是提取她的卵细胞。林克彦说,尽管其他细胞也可以转化成卵子,但是在医疗过程中抽血是很常见的,可能比皮肤细胞更容易利用。

科学家能在实验室中把血细胞转化成干细胞,然后通过一些步骤把它变成卵子或精子。接下来,人造的卵子与正常精子结合,反之亦然,再用与试管婴儿相同的方法植入女性体内,让孩子具有来自父亲和母亲的遗传特征,就跟正常受孕的孩子一样。

林克彦表示,目前这个方法要用于人类,风险仍过大,除非科学家创造的卵子可以像自然卵子一样大多数都能生成健康的胚胎。首先,研究人员必须证明,他们能在实验室里长时间维持卵子活性,不能短于人类卵子发育所需的时间。(小鼠的卵细胞在5天内成熟,而人类女性的卵细胞大约需要30天才能成熟。)但是,在生殖科学家对人类细胞开展这种研究之前,他们必须确定该方法对于更接近人类的大型动物也是可行的。

4.灵长类动物实验

为了攻克这个难题,林克彦的团队已经选择了绒猴开展灵长类动物实验。但是,前进路上有几个较大的绊脚石。小鼠是很好的实验对象,因为它们5天排卵一次,怀孕20天就能生下幼鼠。而狨猴孕期至少140天,所以,就算所有的工作都不出差错,要想得到幼猴也需要很长时间。狨猴的原始生殖细胞发育成卵子所需的时间也比小鼠长得多,林克彦的团队还没有找到适当的实验室环境,让细胞能够长时间维持活性。

在啮齿类动物实验中,研究人员学会了如何在体外诱导小鼠的原始生殖细胞发育成熟,但这个过程需要小鼠胚胎中的卵巢细胞的辅助。为了确保猴子原始生殖细胞的存活和发育,并扩大实验规模,从而得到更多卵子,林克彦认为,不但要向培养皿中加入卵巢细胞,更重要的是识别出可发送关键信号、促使卵子发育成熟的特殊卵巢细胞,并且还要用干细胞制造出这类卵巢细胞。这样一来,在下一个阶段的研究中,就可以直接培育出所有的必要成分,无须从其他胚胎提取卵巢细胞。

目前在戈登研究所主管生殖细胞系和表观基因组研究的苏拉尼,是这个领域的先行者。为了促进生殖细胞的成熟和通信,他也尝试过不同关键辅助细胞的组合。“(生殖)细胞实际上经历了一个特定阶段,它们需要非常特殊的条件,比如信号或环境等因素的改变,帮助它们突破到另一个阶段。”苏拉尼解释道。他和他的团队一直在推测,在这个过程中哪些细胞的作用格外重要,但这是一个缓慢而艰苦的工作。为了指导下一步工作,现在他们正研究人类流产胎儿,以寻找卵子成熟的每一步线索。苏拉尼的实验室已经把实验对象从小鼠换成了猪,因为猪的发育与人类更相似,而且用猪做实验也比猴子更便宜。

除了调整实验室的细胞培养方式,可能还有另外的方法可以促进这个进程。一些研究人员认为,尽快把人造细胞植入体内,借助身体自带的质量控制系统消灭有缺陷的生殖细胞,为合格的细胞留下更多资源,将获得更好的结果。美国蒙大拿州州立大学的干细胞科学家勒妮·雷约·佩拉在精子研究中采取了这种方法。在自然情况下,只有最健壮的精子才能存活下来,让卵子受精,但是,在培养皿中发育成熟的精子没有经过这种竞争,增加了缺陷精子与卵子结合的可能。由于人类身体能巧妙地清除劣质精子,佩拉的工作重心是制造可以在睾丸中发育成熟的精子原始细胞。“我们认为,身体应该会做出选择。而在培养皿中,我担心在人工干预下,细胞经历的过程与自然条件下是不同的。”

不管科学家多么小心,还是有批评声音认为,人造的卵子和精子不能用来孕育生命。比如马西·达诺夫斯基就认为,实验室培育的生殖细胞不可能足够安全,不应冒这样的风险。达诺夫斯基是美国遗传学与社会中心的执行主任,这是一个致力于让人类遗传技术得到正确应用的公益机构。她表示,她完全支持针对人类和动物发育的研究,但利用改造过的卵子和精子创造新生命,尤其是人类,是不应该越过的底线。“我认为,任何通过这种方式出生的孩子都有非常大的生物学风险,”她引用了哺乳动物克隆的例子:很多克隆胚胎不能发育,有些克隆动物出生时就伴有严重的健康问题。达诺夫斯基相信,必须制订公共政策,确保林克彦、苏拉尼、雷约·佩拉等人追求的科学进展不会越界。

也有人担忧,这种方法可能意味着“为人父母”的概念面临冲击。例如,如果任何人的细胞都能被转化成精子或卵子,这是否预示未来能用同一个人的细胞生成精子和卵子,生出一个“单亲”孩子?会不会有人从餐巾纸或者床上收集到其他人脱落的皮肤细胞,然后在未得到对方允许或对方压根不知情的情况下生出一个孩子?除此之外,正如哈佛大学医学院院长乔治·戴利和同事去年在《科学·转化医学》上所写的那样,这些技术能以此前难以想象的规模制造胚胎,无形中让人类生命贬值,同时也给相关政策带来了难以应付的挑战。

研究人员说,伦理方面的担忧至今仍制约着与人类相关的体外配子生成研究,研究经费也一直维持在最低状态。有关胚胎的研究在美国长期受到限制。尽管奥巴马政府对干细胞研究表示出比前任更友好的态度,许多人预计在特朗普任内,美国政府应该会走回头路。在其他国家也是如此,按照苏拉尼和英国利兹大学的海伦·皮克顿的说法,由于相关研究经费很少,想得到自然胚胎的组织样本很困难,这给研究带了额外的障碍。林克彦说,在他的祖国日本,要从事人类生殖细胞研究十分困难。(日本法律禁止让人类生殖细胞受精,即使是出于研究目的。)但是,以色列魏茨曼科学研究所的干细胞科学家雅各布·汉纳说,他感到研究环境比较宽松,因为该国的文化氛围导致人们对促进生殖的技术有兴趣。

5.伦理难题

但是科学家说,即便永远也不用来孕育人类婴儿,单纯追求制造出卵子和精子的目标也是非常有意义的。这样的研究能够帮助我们治疗不孕不育、认识早期发育和探明毒素对人类遗传的影响。“这是一次发现之旅。”专攻卵巢生理学和生殖学的皮克顿指出。例如,找到识别高质量卵子和精子的方法,有助于改善试管婴儿的选择过程。而在不断改进配子制造方法的过程中,我们将第一次实时观察到细胞出错导致疾病、出生缺陷或细胞死亡的真实情况。

了解如何把皮肤或者血液细胞转化成卵子和精子,也有助于科学家研究表观遗传学现象——不是基因发生了变化,而是基因表达有所改变。理解精子和卵子形成早期的发育过程,可以让我们搜索这些细胞中的甲基或其他累积在基因中的变化。目前,研究者发现某些性状变化能在遗传学基础没有改变的情况下传给后代,这背后的机制是个研究的重点。例如,2016年的一项研究发现,纳粹大屠杀的幸存者在那场浩劫数年之后生下的孩子,与应激激素调节相关的基因区域出现了表观遗传变化。那些基因没有变化,但基因表达的方式却传递给了后代。苏拉尼指出,用干细胞培育卵子和精子,能让科学家深入研究这种表观遗传过程,也能帮助我们认识与衰老相关的疾病,这些疾病往往是由表观遗传标记物的积累造成的。如果找到了在生殖细胞发育过程中抹去表观遗传标记的新方法,甚至可能为衰老相关疾病的治疗提供新思路。

苏拉尼现在正研究细胞的能量工厂线粒体在卵子形成过程中起了怎样的作用。线粒体在生殖过程中要经历一个选择矫正过程,因为孩子只能从母亲一方得到线粒体的遗传物质。在线粒体中校正缺陷的程序目前尚不清楚,但是苏拉尼希望,通过研究生殖细胞如何修复缺陷,他和他的团队能学到很多有关细胞能量和相关疾病的知识。“沿着这条路,我们能收获大量知识,对人类健康产生重大影响。”他说。

林克彦希望,这项工作将有利于抢救和恢复几乎灭绝的物种,比如白犀牛。通过提高对配子形成过程的认识,研究人员能更好地处理很可能灭绝的物种。他正试图在白犀牛细胞上复制小鼠细胞研究,但是进展很缓慢。除不同物种生殖过程存在诸多差异之外,等待时间也长得多。小鼠怀孕期是20天,而白犀牛的怀孕期是16个月。

林克彦在讲座中提及白犀牛相关研究时,所有人都很高兴。但是,当他提到,同样的研究会在人类身上进行时,“一些人非常怀疑,有些人感到十分恐慌”。林克彦理解他们的担忧。在人类干细胞成功转化成有用的卵子和精子前,大量人类的生殖细胞和胚胎将被浪费,而即便是有活性的配子也存在导致出生缺陷的风险。

佩拉相信,研究这项技术在人类身上的应用是符合伦理的,而且,如果足够安全,甚至可以使用它来孕育人类。她本人是一个癌症幸存者,也是不孕症患者,她相信帮助人们拥有自己的孩子,理应得到伦理上的支持。

但是棘手的问题依然存在,例如什么是安全标准和由谁决定安全标准。当科学家开发出其他有争议的技术时,比如试管婴儿和基因编辑CRISPR系统,研究人员、伦理学家和公众一同参与的正式会议,有助于为其潜在应用制定建议和指导方针。研究人员和伦理学家强调,对体外配子生成可能也需要这么做。此外,这些交流应该在技术应用于人类身上之前进行。“在体外配子生成技术最终应用于人体之前,应该告知全社会这项技术会带来的冲击,并保持积极的公开对话来讨论相关的伦理问题。”戴利和同事在2017年1月发表的论文中写到,“随着科学和医学的飞速发展,生殖和再生医学的迅速转化将使我们大吃一惊。”

(撰文卡伦·温特劳布(KarenWeintraub)翻译张文韬)

(《环球科学》杂志社供稿)

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