在多倫多大學(xué)的醫(yī)學(xué)通過設(shè)計的研究人員設(shè)計了一個新的平臺，以研究人類發(fā)展的早期階段，在實(shí)驗(yàn)室中，對關(guān)鍵生物過程，到現(xiàn)在為止已經(jīng)發(fā)生子宮內(nèi)，超出了科學(xué)家的目光拉回帷幕。

該技術(shù)被認(rèn)為是加拿大同類產(chǎn)品中的第一個，它使人類胚胎干細(xì)胞能夠自我組織成具有胚胎樣特征的結(jié)構(gòu)，包括大腦，心臟和肝臟等器官的早期前體。

尋求通過利用人體自我更新能力來治療疾病的研究人員長期以來一直試圖了解這些過程，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為他們掌握了對推進(jìn)新的再生醫(yī)學(xué)療法至關(guān)重要的見解。但是技術(shù)障礙，道德問題和法律限制使他們無法在實(shí)驗(yàn)室中研究人類胚胎中這些關(guān)鍵的發(fā)育階段。這就是研究人員轉(zhuǎn)向干細(xì)胞生物工程尋求答案的原因。

“由于它是一個人工的，工程化的環(huán)境，可以模仿我們認(rèn)為對人類胚胎發(fā)育很重要的一些基本組織原則，我們的平臺有可能減輕與在實(shí)驗(yàn)室研究人類胚胎相關(guān)的一些挑戰(zhàn)，并提供非常有用的提示人類發(fā)展的最初階段是如何開始的，“U of T生物材料與生物醫(yī)學(xué)工程研究所(IBBME)博士候選人Mukul Tewary說。他是一篇論文的主要作者，該論文描述了將于11月出版的特刊“發(fā)展”中的平臺，并已在該期刊的網(wǎng)站上預(yù)先發(fā)布。

“了解這一點(diǎn)不僅可以從基本的生物學(xué)角度向我們提供關(guān)于我們?nèi)绾纬蔀楝F(xiàn)實(shí)的見解，而且還提供在整個再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常有價值的關(guān)鍵信息，”Tewary說。

雖然美國的一些研究以前已經(jīng)證明了“合成”胚胎模式，但Tewary的平臺以重要的方式推進(jìn)了該技術(shù)，他認(rèn)為這將使研究人員能夠開始測試他們基于動物研究和數(shù)學(xué)建模對早期人類發(fā)育生物學(xué)做出的假設(shè)。 。最終，研究人員希望這些信息可以使他們更接近再生醫(yī)學(xué)的長期目標(biāo)：利用干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)新的組織和器官，以取代那些已被疾病損害的組織和器官。

但科學(xué)家，倫理學(xué)家和政策制定者將不得不解決這些新平臺所提出的棘手問題。“直到最近，這還不是生物倫理學(xué)家甚至考慮過的，”特瓦里說。

人類胚胎樣結(jié)構(gòu)沒有發(fā)展成人類的潛力，因?yàn)樗鼈儊碜砸黄祟惻咛ジ杉?xì)胞，而不是來自受精子受精的卵子。盡管如此，他們的到來挑戰(zhàn)了我們對胚胎是什么的定義。

直到最近，研究人員在技術(shù)上不可能將人類胚胎保存在一個盤子中，超過它們通常在子宮中植入的時間 - 大約在受精后7天。即使它們能夠在這一點(diǎn)上保持活力，加拿大在“輔助人類生殖法”中規(guī)定了數(shù)十年的國際法律和監(jiān)管共識，禁止科學(xué)家在14天內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)完整的人類胚胎。當(dāng)胚胎開始沿著被稱為原始條紋的頭到尾軸開始自我組織時，就在原腸胚形成之前，當(dāng)稱為外胚層的單層細(xì)胞盤形成三個不同的層，最終成為不同類型的器官。

生物倫理學(xué)家和科學(xué)家們確定了14天的門檻，因?yàn)樗麄兿胍谀X細(xì)胞的前體甚至開始形成之前阻止實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的胚胎的生長，回避關(guān)于何時開始意識和感受到疼痛的能力的爭論。

最近的進(jìn)展使得科學(xué)家能夠在一個培養(yǎng)皿中培養(yǎng)人類胚胎更長的時間，短短14天。這一發(fā)展，以及產(chǎn)生干細(xì)胞衍生的胚胎樣結(jié)構(gòu)的工程化平臺的創(chuàng)造，“使人類發(fā)育生物學(xué)與'14天規(guī)則'的碰撞過程”，去年在自然界的評論警告?；蛘?，正如麻省理工學(xué)院技術(shù)評論最近的標(biāo)題所說：“人工胚胎即將到來，沒有人知道如何處理它們。”

科學(xué)家們還沒有，但很快就會取得進(jìn)展。在過去的三年中，一些研究小組通過將人類胚胎干細(xì)胞置于微圖案表面上來模擬實(shí)驗(yàn)室中的早期胚胎發(fā)育，這使得它們能夠控制細(xì)胞粘附的位置和方式。然后他們使用不同的媒介來誘導(dǎo)生長和分化。

由Tewary及其同事在大學(xué)Peter Zandstra教授和IBBME副教授Rodrigo Fernandez-Gonzalez的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的平臺以兩種方式改進(jìn)了這項(xiàng)工作。該研究團(tuán)隊(duì)使用紫外光刻技術(shù)將微圖案轉(zhuǎn)移到聚合物覆蓋的板上，與其他技術(shù)相比，提高了圖案化工藝的效率和穩(wěn)健性。與其他平臺不同，它們具有高通量，使它們能夠創(chuàng)建數(shù)千個胚胎樣結(jié)構(gòu)，并在每個實(shí)驗(yàn)中測試它們對各種不同條件的響應(yīng)。

這兩項(xiàng)創(chuàng)新使他們能夠更準(zhǔn)確地識別驅(qū)動人類胚胎早期發(fā)育的信號和線索。Tewary現(xiàn)在正在研究如何將其他發(fā)育事件(例如神經(jīng)模式)從系統(tǒng)中哄騙出來。他們可以提供有關(guān)原腸培養(yǎng)的見解，這種情況發(fā)生在受精后14天左右，引發(fā)了對如何平衡道德和法律因素以及可能從根本上改變科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑。

隨著這些工程的平臺變得越來越復(fù)雜，研究人員和倫理學(xué)家都提出了擔(dān)心，圍繞胚胎研究現(xiàn)行規(guī)則可能不足以什么可能還在后面，特別是在從干細(xì)胞的胚胎樣結(jié)構(gòu)開始顯示出現(xiàn)在人類特征的胚胎后，以及前14天的發(fā)展。

有些人呼吁就是否應(yīng)該重新審視14天規(guī)則進(jìn)行廣泛的國際討論。去年，國際干細(xì)胞研究學(xué)會更新了干細(xì)胞研究指南，以“認(rèn)識到人類發(fā)展早期階段日益復(fù)雜的體外模型的發(fā)展應(yīng)該經(jīng)過專門的審查”。

其他人認(rèn)為僅僅調(diào)整14天規(guī)則可能還不夠。今年早些時候，哈佛醫(yī)學(xué)院和格羅寧根大學(xué)的研究人員認(rèn)為，試圖搶先出現(xiàn)基于發(fā)展里程碑(如原始條紋)的“道德關(guān)注特征”的出現(xiàn)，將無法充分解決可能跳過步驟的胚胎樣結(jié)構(gòu)或沿著不同的時間線發(fā)展。相反，他們建議道德限制應(yīng)“盡可能直接基于這些特征的產(chǎn)生”，研究人員和生物倫理學(xué)家共同努力制定規(guī)則。

但是，即使達(dá)成共識，任何變化都可能是多年，因?yàn)閲H上有關(guān)于胚胎研究的法律和科學(xué)指導(dǎo)方針。

Tewary的主管Zandstra表示，他很高興能夠回答基本生物學(xué)問題的新途徑，并為這個平臺打開類似器官的結(jié)構(gòu)，以及它為更廣泛的討論提供的機(jī)會。

“它催化了有趣和重要的法律，社會和道德對話，這對于加拿大面對和領(lǐng)導(dǎo)是至關(guān)重要的，”Zandstra說，他是加拿大干細(xì)胞生物工程研究主席，也是邁克爾史密斯實(shí)驗(yàn)室和邁克爾史密斯學(xué)院的院長。不列顛哥倫比亞大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程。“作為一名生物工程師，你可以從一個項(xiàng)目中獲得更多的東西。”