在第三周,，也就是原腸胚形成的過程中，會發(fā)生幾個關(guān)鍵事件,。胚胎開始形成一個身體中軸,，而軸的一端注定會發(fā)育成頭部,。所有的細胞開始遷移并分化成三層,，這將最終形成人體所有的器官和組織。這個過程太重要了,，因此這也是履行14天法則的主要原因,。

一些研究人員正在尋找替代方法，他們利用人類干細胞技術(shù)構(gòu)建合成胚狀結(jié)構(gòu),，這種情況就不用遵循14天法則了,。這類構(gòu)建缺少全面發(fā)展的某些至關(guān)重要的組件，因此,，即使被植入子宮,，也發(fā)育不成胎兒。2014年,，布里瓦盧,、埃里克·西賈和他們在洛克菲勒大學的同事發(fā)布報告稱，他們利用專門培養(yǎng)的人類胚胎干細胞在體外模擬了原腸胚形成的過程,。他們發(fā)現(xiàn),，當干細胞被限制在幾百微米的范圍內(nèi)生長時，這些干細胞就能分化成一種外形看起來像牛眼的細胞,，而這種牛眼一樣的細胞又包含著能發(fā)育成身體所有部分的三種主要細胞類型,。從扁形蟲到靈長類，幾乎在所有的動物中,，這些細胞類型都具有類似的作用：中心的細胞變成皮膚,、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，中間層細胞變成肌肉,、血液,、骨骼和各種器官，最外層的細胞會變成消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng),。

這類構(gòu)建的胚狀結(jié)構(gòu)看起來比較扁,，而真正的人類胚胎的構(gòu)造則比較立體，盡管有差異,，但在細胞和分子水平上,，研究人員原本就期望獲得這種效果?！袄靡粋€系統(tǒng),，我們能分析信號通路和細胞命運之間的關(guān)系，”西賈實驗室前博士后研究員阿里耶·瓦姆弗萊士（Aryeh Warmflash）說道,。

圖注：胚狀體內(nèi)的一波又一波信號，紅色和黃色信號更強,，藍色信號稍弱,，這種信號強弱的差異促使了細胞的分化,。（圖/易德塞·海姆斯凱克；阿里耶·瓦姆弗萊士/美國萊斯大學）

對該系統(tǒng)的后續(xù)研究已經(jīng)揭示了胚胎細胞如何利用幾何結(jié)構(gòu)和化學過程來自我組織成不同的組織類型,。2016年,，布里瓦盧、西賈和他們的團隊演示了干細胞可以感知自己在圓形集落中的位置的過程,，因此,，調(diào)整它們對生長因子分子的反應就能幫助形成細胞離散區(qū)域。2017年,，萊斯大學瓦姆弗萊士團隊在《bioRxiv》網(wǎng)站預印本系統(tǒng)上發(fā)布的一篇報告展示了生長因子的動力學在胚胎發(fā)育中起著一定的作用,。研究人員發(fā)現(xiàn)，一組特定的蛋白質(zhì)釋放出激增的信號,，統(tǒng)稱為Nodal信號通路,，這波信號像波浪一樣從集落圓周向內(nèi)擴散，在其擴散初期留下不同的細胞類型,。

布里瓦盧團隊研對這個系統(tǒng)的研究更加深入,，他們在今年5月7日展示了用生長因子的組合來處理這些類型的集群就能誘導“組織者”細胞的形成，而“組織者”細胞,，顧名思義,，就是未來組織各類型細胞出現(xiàn)及發(fā)育的原始者。除人外的其他動物中,，這些特殊的細胞能引導周圍的細胞形成一個有頭有尾的中軸,。但是，由于14天法則的原因,，科學家從未見過人類組織者細胞的的運轉(zhuǎn)過程,。考慮到人類胚胎工作面臨的倫理限制和技術(shù)局限,，布里瓦盧取而代之將假定的人類組織者細胞移植到發(fā)育中的雞胚上,，然后觀察到被移植的細胞指導小雞細胞發(fā)展出第二個雞神經(jīng)系統(tǒng)。

胚胎的支持結(jié)構(gòu)

關(guān)于人類早期發(fā)展的主題,，很多研究都集中在胚胎本身上,，但很多其他的組織對胚胎的生存也有至關(guān)重要的影響，其中就包括羊膜囊和胎盤,，羊膜囊是胚胎的住所,，而胎盤則能為胚胎提供氧氣和營養(yǎng)。

為了更好地研究羊膜囊是如何發(fā)育的,，研究人員用人類干細胞制造了一個模型,。去年，發(fā)育生物學家黛博拉·古穆西奧（Deborah Gumucio）、密歇根大學生物工程師傅建平以及他們的同事發(fā)現(xiàn)當在凝膠器皿上培養(yǎng)人類干細胞并用天然的支架分子包圍這些干細胞時,，這些細胞就自我組織成一個類似于羊膜囊的東西,。大約24小時后,，類羊膜囊上就出現(xiàn)一個口,，然后，細胞開始在一側(cè)變平,，而另一側(cè)的細胞就開始拉長,，而這正是原腸胚形成前的典型過程。

這個人造模型只復制了胚胎的核心和囊,，沒有其他的支撐組織,，而后者是胚胎存活生長的必要條件。盡管缺少支撐組織,，研究人員仍能識別出一些可能幫助產(chǎn)生這種不對稱結(jié)構(gòu)的分子信號,。“就這種人造模型試驗,，就現(xiàn)在進行的階段,，我們?nèi)杂泻枚嘀匾畔⒂写l(fā)現(xiàn)，所以我們沒理由將其發(fā)育成更晚的胚胎,，”古穆西奧說道,。科學家將這種胚狀結(jié)構(gòu)培養(yǎng)物保持了5天,，對應到真實人類胚胎發(fā)育期大概是9到14天,，雖然和真實胚胎有差異，但研究人員仍是依據(jù)14天法則,，在對應的第5天停止了培養(yǎng),。

澤尼卡·格茨團隊正嘗試開發(fā)更完整的結(jié)構(gòu)。2017年,，格茨團將兩種類型的小鼠干細胞組合起來進行培養(yǎng)：一種形成胚胎本身,，一種有助于形成胎盤，后者稱為滋養(yǎng)層干細胞,。研究人員將培養(yǎng)物嵌在三維支架上,，這種合成結(jié)構(gòu)就像是胚胎著床后的環(huán)境。現(xiàn)在,，研究人員正致力于用人類干細胞創(chuàng)造出一種類似的胚狀結(jié)構(gòu),。科學家可以借此更好地了解胚胎組織和胚胎外組織的相互作用,，比如說胚胎和胎盤,。

隨著一些實驗室開發(fā)出這些越來越復雜的合成模型，即所謂的胚胎，倫理問題正在日益凸顯,?！拔艺J為這是一個灰色地帶，”位于緬因州巴爾港的杰克遜實驗室的干細胞生物學家馬丁·佩拉（Martin Pera）說道,?！拔覀儜撊绾慰创@些正在發(fā)育的結(jié)構(gòu)？”許多倫理學家和科學家都認為,，目前進行的合成胚狀體比較簡單,，因此不必一定遵守14法則。但是位于俄亥俄州克利夫蘭的凱斯西儲大學的生物倫理學家玄仁洙（Insoo Hyun）表示,，“給胚狀體的特點下定義本身就是一項挑戰(zhàn),，比如說我們很難確定胚狀體發(fā)育到什么程度或是出現(xiàn)何種特點才算是更加接近真實的胚胎。很難把握這個度,，現(xiàn)在培養(yǎng)的胚狀體可能已經(jīng)超越了14天法則,，比如說，你把它移植到子宮,，它就能發(fā)育成更復雜的形態(tài),。”

數(shù)據(jù)重整

研究人員在研究后期階段的解鎖細節(jié)方面也取得了一些進展,，組織染色和成像技術(shù)功不可沒,。在2016年《科學》（Science）上發(fā)表的一篇報告中，阿姆斯特丹大學醫(yī)學中心的研究人員將華盛頓卡內(nèi)基科學研究所保存的15000個組織切片進行數(shù)字化,。這些組織切片是19世紀80年代到20世紀前半期期間從流產(chǎn),、手術(shù)和尸體解剖中獲得的樣本。荷蘭的一項研究時間跨度超過了兩個月,，研究人員用數(shù)字技術(shù)追蹤了單個切片上多達150個器官的輪廓,，然后對截面進行調(diào)整對齊重新構(gòu)建了原始胚胎的三維模型，這個三維模型可以當做活性數(shù)據(jù)集,。

在高分辨率下研究胚胎已經(jīng)有了一些發(fā)現(xiàn),，比如說，在胚胎學角度上看,，腎臟的出現(xiàn)及發(fā)育要經(jīng)歷三個連續(xù)的階段,，先后是前腎、中腎和后腎,，以前科學界都認為腎臟出現(xiàn)和發(fā)育的過程是從上往下發(fā)生的,，后來有研究小組根據(jù)更新的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，因為腎臟的生長速度和椎骨生長速度并不一樣,，所以腎臟的出現(xiàn)及發(fā)育的過程并不是單向的向下,，而是上上下下的起伏式發(fā)育。

但是卡內(nèi)基研究院收集的切片有個主要局限，就是缺少分子標記,，這就使研究人員不容易區(qū)分出不同的細胞類型,。為了克服這些問題，位于巴黎的法國國家健康與醫(yī)學研究所的阿蘭·切多爾（Alain Chédotal）在2017年發(fā)表了一份新的三維數(shù)據(jù)集,。新的數(shù)據(jù)集包含36個胚胎和胎兒,，這些胚胎和胎兒樣本處在6到14星期的發(fā)育階段。阿蘭和其團隊對捐贈的樣本進行組織清理處理,，這樣就能使樣本更容易在顯微鏡下成像,，然后又進行著色以突出不同的細胞類型。

圖注：隨著神經(jīng)的發(fā)展，左右手也有著不同的分支模式,。（圖/阿蘭·切多爾,；摩根·貝勒）

根據(jù)新的三維圖像，研究人員能在高分辨率細節(jié)上觀察神經(jīng),、肌肉、肺和其他器官的發(fā)育過程,?！熬图毠?jié)而言,，這是前所未有的成果，”位于華盛頓的霍華德大學醫(yī)學院魯伊·迪奧戈（Rui Diogo）說道,。迪奧戈對數(shù)據(jù)集進行了挖掘,，了解到肢體肌肉的發(fā)展情況。

迪奧戈研究小組觀察到手部和足部的一些肌肉會在發(fā)育過程中出現(xiàn)消失或融合,，這些研究結(jié)果尚未發(fā)表,。“當我們還是胚胎時,，我們的肌肉和成年后的肌肉很不一樣,，”迪奧戈說道。此外,，還有其他一些意想不到的發(fā)現(xiàn),，比如切多爾報告稱，盡管左右手神經(jīng)組織具有相似性,，但在第7到11星期內(nèi),，每只手的細的分支模式會沿著不同的路徑進行發(fā)散伸展。

法則的去留

隨著科學技術(shù)的改進，研究人員希望對人類早期發(fā)展有更多更深的了解,，他們還希望闡明導致妊娠丟失和出生缺陷的原因,。

研究人員對胚胎早期發(fā)育的研究日益清晰，這也使倫理問題越發(fā)凸顯,。也有一些人認為,，隨著澤尼卡-格茨和布里瓦盧的拓展型實驗的進行，科學界和倫理學界應該重新審視14天法則,。今年5月,，萊斯大學貝克研究所健康與生物科學中心舉行了一次會議,，有30位美國科學家、倫理學家和其他專家參與了這次討論,，布里瓦盧和約翰斯頓也參加了，他們討論了是否應該打破14天法則,，以及打破后應該如何設置新的界限,?！拔艺J為最好還是遵守14天法則，如有特殊情況,，可通過請愿書來破例，”與會的玄仁洙說道,。

隨著研究結(jié)果的不斷積累,，技術(shù)上的進步激起了科學家的興趣，同時也加劇了他們的不安,?！斑@是種驚奇而又敬畏的感覺，我們正在觸及人類早期的秘密,，因此很多人在道德上與倫理上產(chǎn)生了疑慮,，”約翰斯頓說道?！斑@些疑慮是很好的提醒,，即我們在培養(yǎng)皿中研究的東西絕非幾個細胞那么簡單！”