胚胎发育，也称为胚胎发生，是理解生命起源的基石。但研究人类这种复杂而分层的生物过程的奇迹面临着相当大的挑战。早期人类胚胎很难获得。然后还有围绕它们的使用的道德问题。这使得科学家很难理解早期人类的发展。

然而，基因工程以及分子和细胞生物学的进步促进了合成胚胎学的出现，这是一个致力于使用人类干细胞在培养皿中复制和研究胚胎发育的子领域。通过提供新工具来探索人类发育的神秘最早阶段，合成胚胎学可以帮助研究人员克服使用真实人类胚胎的挑战。

作为一名生殖和发育生物学家，我开发了胚胎发生的干细胞模型。通过这些新模型，研究人员还可以更好地了解影响人类生殖和发育以及母婴健康的条件，从而有可能开发出新的疗法。

用干细胞制造人类胚胎

胚胎发生始于卵子的受精。这会触发卵子快速分裂成胚胎细胞，胚胎细胞很快形成最终发育成胎儿的内细胞团和形成胎盘的外层细胞。

植入子宫后，内细胞团发育成三层，形成人体的所有组织和器官。与此同时，当胚胎附着在子宫壁上时，胎盘开始形成，这是母婴连接的关键一步。这种附着使得营养物质、氧气和废物能够在母亲和胎儿之间转移。

合成胚胎学利用源自人类胚胎或由成人细胞诱导的人类多能干细胞人工重建这些发育阶段。与早期胚胎细胞一样，这些细胞有能力发育成人体内任何类型的细胞。在精心设计的实验室环境中，研究人员可以诱导这些细胞形成模仿各种胚胎发育阶段(包括早期器官形成)的多细胞结构。

研究人员于2014年利用胚胎干细胞创建了第一个人类胚胎模型。这种开创性的模型(也称为类原肠胚)捕获了人类早期发育的关键方面，并表明科学家可以驱动多能干细胞形成与三个胚层和胚胎层相呼应的图案层。胚胎的外层。

在研究发育的早期事件时，类原肠胚很容易复制和测量。这些二维原肠胚还可以帮助研究人员精确识别胚胎细胞并对其进行成像。然而，该模型缺乏自然胚胎发生中常见的复杂3D结构和空间细胞相互作用。

人类胚胎模型的进展

自从第一个类原肠胚出现以来，该领域取得了实质性进展。

多年来，各种模型已经能够复制人类胚胎发生的不同方面，例如羊膜囊发育、胚层形成和身体结构组织。研究人员还开发了用于早期器官发育的器官特异性模型，例如捕获神经发育关键事件的模型和模仿肺形成过程的胎儿肺类器官。

胚胎模型使研究人员能够研究关键的发育过程，例如脊柱的形成。

然而，这些模型都没有完全捕获单个细胞类型发育成整个胚胎的完整结构的整个过程。

2021年出现了重大突破，多个研究小组成功利用具有较高发育潜力的人类多能干细胞创建了胚泡，类似于植入前的早期胚胎。胚泡的形成方式与人类胚胎类似，都是从少数细胞开始增殖并自我组织。

胚泡与胚胎的发育和结构相似性使其可用于研究胚胎形成的早期步骤，特别是在它们附着到子宫之前。胚泡可以粘附在实验室培养皿上并进一步生长。它们还可以通过与母体子宫内膜细胞整合并在植入后发育到后期胚胎阶段来模拟胚胎在子宫中的植入。

最近，研究人员在实验室中成功创建了更复杂的模型，模拟胚胎附着到子宫后发生的情况。两个研究小组使用特殊工程细胞在植入后约一周创造出与人类胚胎相似的结构。这些模型还能够形成最终转化为人类精子和卵子的细胞，反映了自然发育中发生的情况。

另一个研究小组也能够利用多能干细胞创建类似的模型，而无需对其进行基因工程。该模型甚至能够模仿后期的发育阶段和神经系统形成的开始。

选择正确的型号

在不断发展的合成胚胎学领域，没有任何单一模型可以完美地捕捉胚胎发生的所有方面。因此，我们的目标不是扮演上帝，在培养皿中创造生命，而是增强我们对自己的理解。这一目标强调了仔细选择最适合当前特定研究目标的模型的重要性。

例如，我之前的工作重点是人类早期发育中的染色体异常。非整倍体，即染色体数量异常的细胞，是导致流产的主要原因。但关于这些异常细胞如何影响怀孕和胎儿发育的科学知识非常有限。

由于原肠胚可以有效地模拟早期发育的这些方面，因此该系统可能是研究早期发育中非整倍性的理想选择。它使研究人员能够精确跟踪和分析非整倍体细胞的行为以及它们如何影响发育过程。

使用这个模型，我和我的团队发现，染色体异常的细胞更有可能成熟为胎盘细胞，并且可能在胎儿细胞的发育过程中被消除。这一发现为解释为什么即使在怀孕期间检测到非整倍体，染色体数目正常的婴儿也能健康出生提供了重要的见解。这些发现对于改进产前护理的诊断和预后方法很有价值。

更完整地复制胚胎结构并更接近地反映生物事件的未来模型不仅将增进对早期发育基础知识的理解，而且在解决临床问题方面具有巨大潜力。研究人员可以利用它们来模拟疾病并开发针对早期生命或遗传疾病的药物。这些模型对于研究再生医学中的组织形成也非常有价值。利用患者自身的细胞创建胚胎模型还可以让研究人员研究发育遗传学并帮助个性化治疗。

合成胚胎学领域取得进步的关键是坚定不移地遵守道德标准和法规。至关重要的是，这些胚胎模型既不是合成的也不是实际的胚胎。国际干细胞研究学会严格禁止将这些胚胎模型移植到人类或动物的子宫中。尽管这些模型模仿了早期发育阶段的某些特征，但它们不能也不会在出生后发育成相当于人类婴儿的水平。将研究建立在坚实的理由和监督的基础上，将有助于确保以最大的尊重和责任感对生命结构进行科学探索。

通过拥抱合成胚胎学的复杂性和潜力，研究人员站在生物学理解新时代的边缘，并准备揭开生命本身的奥秘。