人造卵子孕育新生命

【環球科技】

在日本九州大學生殖生物學家林克彥（KatsuhikoHayashi）的實驗室里，小鼠在籠子里竄來竄去，看起來平平無奇。它們奔跑、進食、睡覺，跟其他同類完全一樣。但是，這11隻嚙齒類動物的來歷很不尋常。兩年前，林克彥在《自然》雜誌上發表論文稱，這些黃褐色小鼠並非來自精子和卵子結合，它們的母系血統源於重編程的皮膚細胞。

如此令人驚異的實驗成功意味著，或許有朝一日，人類能只用血液和皮膚細胞，就能孕育出一個新生命，而這對於由於某種原因不能自己生孩子但強烈渴望孩子的家庭或個人來說，無疑是個大福音。

1.神奇的幹細胞

林克彥的小鼠實驗進展之所以令其他研究人員讚嘆不已，是因為它實現了科學家在1997年誕生的一個設想。當時，科學家在20世紀70年代的青蛙克隆工作的基礎上，成功克隆了多利羊，並使人們認識到，每個動物細胞都有一套相同的基本指令。通過把綿羊的乳腺細胞轉化成一頭活體動物，多利的創造者們證明，每一個哺乳動物細胞都有相同的基因，乳腺細胞與其他細胞的不同之處僅僅在於哪些基因可以表達，哪些不能表達。

對於林克彥和其他科學家來說，克隆羊研究開創了一個幹細胞生物學的新領域，他們設想，只要設計出正確的實驗流程，就能將哺乳動物細胞重編程，使其轉變成任何一種細胞，比如神經元或者卵子。世界上有一些研究人員，包括林克彥在內，正在循著這一思路，實現體外配子形成（gametogenesis）——用成體細胞產生卵子和精子。

生殖科學家和一些生育困難的夫妻密切關注著林克彥的進展，以及類似的科研工作，例如有研究者成功把嚙齒類動物幹細胞（一種祖細胞，能夠發育成任何類型的特化細胞）轉化成未成熟的精子。如果這類製造卵子和精子的技術能夠在人類身上奏效，那麼我們就可以用血細胞和皮膚細胞取代有缺陷的生殖細胞。在這種情況下，男性不用為缺乏健康的精子煩惱。女性也不用為30歲後生育能力下降而發愁，事實上任何年紀的女性都可以用少量血液得到一群卵子。而不論性別的兩個人或許有朝一日也可擁有與兩者都存在血緣關係的孩子。

這樣的未來令人嚮往，但仍相當遙遠。多年來，研究者一直在動物實驗中為卵子和精子這兩種多數哺乳動物繁殖必需的細胞尋找可靠替代品，但結果讓人失望。即便是這些在小鼠身上進行的非常初步的實驗，已經導致科學界針對其最終在人類身上的應用提出了諸多倫理問題。

2.在實驗室中培育卵細胞

為了確保這種生殖方式在小鼠身上取得成功，林克彥的團隊需要把一些之前的研究成果結合起來。2010年，他們開始嘗試點擊細胞的「複位」按鈕，讓它們回到分化之前的狀態。他們的第一步是重複2012年諾貝爾獎得主、日本京都大學的山中伸彌（ShinyaYamanaka）開發的一套流程。

首先，研究人員從成年小鼠尾巴上刮下皮膚細胞。然後向細胞注射一種化學混合物，其中含有4種特殊基因，能把成體細胞轉變為胚胎幹細胞（胚胎中的早期細胞）。接下來，他們採用了本世紀初期阿齊姆·蘇拉尼（AzimSurani）和齋藤通紀（MitinoriSaitou）的遺傳學研究成果——前者現任職於英國戈登研究所，後者當時在蘇拉尼實驗室工作，他們都曾是林克彥的導師。在這項研究的幫助下，林克彥的團隊弄清楚了哪些基因是誘導胚胎幹細胞分化為卵子的前身——原始生殖細胞的關鍵。

這裡有個問題：原始生殖細胞既能夠發育成精子，也能成為卵子，它仍然像典型的動物細胞一樣，有兩套染色體。而生殖細胞只含有一套染色體，要麼來自父親，要麼來自母親，生殖細胞形成過程中必須經過兩次減數分裂。對於雌性來說，第一次細胞分裂發生於胚胎時期，也就是原始生殖細胞遷移進入生殖系統時。第二次分裂發生在排卵期，此時在激素的作用下卵子最終發育成熟。在得到原始生殖細胞後，林克彥等人將它們放回小鼠體內，完成了卵子發育——這是當時技術所能做到的極致。然而，想在培養皿中產生有活力的卵子，研究人員必須了解並重建卵子發育途徑中的每一個步驟。

科學家發現，成功的關鍵在於更小心地模擬自然狀態。他們花費了多年時間，調整培養基配方，讓轉化而來的卵細胞能在其中生長。當林克彥團隊在培養基中加入了取自其他小鼠胚胎的卵巢細胞時，實驗取得了重大突破。這些細胞分泌出激素混合物，實質上創造了一個類似卵巢的環境，讓細胞誤以為自身還在體內。此外，科學家還改變了培養基流體的黏度，來模擬小鼠體內的流體環境。

在獲得了正確的培養基，成功地在實驗室中培養出卵細胞後，研究者的下一個步驟就和一般的體外受精很相似了。研究人員首先讓成熟卵子和普通的小鼠精子在實驗室中結合。幾天之後，他們用微小移液管移出發育良好的胚胎，把它們注射到母鼠體內發育20天。最後，在經歷流產、胚胎不能植入、死胎等多次失敗之後，終於得到了一隻健康的幼鼠，後來又得到了10隻。

不過，這個方法還遠不夠完善。在林克彥團隊長達5周的卵細胞培育過程中，幾百個幹細胞中只有16個存活下來。接下來的步驟也充滿危險。當科學家用實驗室培育出的卵子與精子結合時，只有1%由皮膚細胞轉化來的卵子最終能夠變成健康的幼鼠（而從成年小鼠體內取出卵子進行體外受精的成功率是62%）。但是科學家證明了該方法是可行的。那11隻幼鼠正常而健康地生長。它們甚至能夠交配，生出自己的幼鼠。

3.治療不孕不育

很多人需要輔助生殖技術。在美國，超過10%的男性，以及類似比例的女性被診斷為不孕不育。解決這類問題的方法非常費事，還常常失敗。比如，做試管嬰兒需要女性接受1~2周的激素注射，排出多個卵子，之後再讓少數卵子在實驗室中受精，然後選擇1~2個植入女性子宮。做試管嬰兒非常昂貴，費用動輒高達2萬美元，而且還有大約65%的體外受精會失敗，通常是由於卵子質量不高。另外，對於那些沒有健康卵子或精子的患者，試管嬰兒的方式也無能為力。

顯而易見，利用人體血細胞或者皮膚細胞來孕育孩子是一個誘人的選擇。醫生可以提取一小管女性的血液，而不是提取她的卵細胞。林克彥說，儘管其他細胞也可以轉化成卵子，但是在醫療過程中抽血是很常見的，可能比皮膚細胞更容易利用。

科學家能在實驗室中把血細胞轉化成幹細胞，然後通過一些步驟把它變成卵子或精子。接下來，人造的卵子與正常精子結合，反之亦然，再用與試管嬰兒相同的方法植入女性體內，讓孩子具有來自父親和母親的遺傳特徵，就跟正常受孕的孩子一樣。

林克彥表示，目前這個方法要用於人類，風險仍過大，除非科學家創造的卵子可以像自然卵子一樣大多數都能生成健康的胚胎。首先，研究人員必須證明，他們能在實驗室里長時間維持卵子活性，不能短於人類卵子發育所需的時間。（小鼠的卵細胞在5天內成熟，而人類女性的卵細胞大約需要30天才能成熟。）但是，在生殖科學家對人類細胞開展這種研究之前，他們必須確定該方法對於更接近人類的大型動物也是可行的。

4.靈長類動物實驗

為了攻克這個難題，林克彥的團隊已經選擇了絨猴開展靈長類動物實驗。但是，前進路上有幾個較大的絆腳石。小鼠是很好的實驗對象，因為它們5天排卵一次，懷孕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錯，要想得到幼猴也需要很長時間。狨猴的原始生殖細胞發育成卵子所需的時間也比小鼠長得多，林克彥的團隊還沒有找到適當的實驗室環境，讓細胞能夠長時間維持活性。

在嚙齒類動物實驗中，研究人員學會了如何在體外誘導小鼠的原始生殖細胞發育成熟，但這個過程需要小鼠胚胎中的卵巢細胞的輔助。為了確保猴子原始生殖細胞的存活和發育，並擴大實驗規模，從而得到更多卵子，林克彥認為，不但要向培養皿中加入卵巢細胞，更重要的是識別出可發送關鍵信號、促使卵子發育成熟的特殊卵巢細胞，並且還要用幹細胞製造出這類卵巢細胞。這樣一來，在下一個階段的研究中，就可以直接培育出所有的必要成分，無須從其他胚胎提取卵巢細胞。

目前在戈登研究所主管生殖細胞系和表觀基因組研究的蘇拉尼，是這個領域的先行者。為了促進生殖細胞的成熟和通信，他也嘗試過不同關鍵輔助細胞的組合。「（生殖）細胞實際上經歷了一個特定階段，它們需要非常特殊的條件，比如信號或環境等因素的改變，幫助它們突破到另一個階段。」蘇拉尼解釋道。他和他的團隊一直在推測，在這個過程中哪些細胞的作用格外重要，但這是一個緩慢而艱苦的工作。為了指導下一步工作，現在他們正研究人類流產胎兒，以尋找卵子成熟的每一步線索。蘇拉尼的實驗室已經把實驗對象從小鼠換成了豬，因為豬的發育與人類更相似，而且用豬做實驗也比猴子更便宜。

除了調整實驗室的細胞培養方式，可能還有另外的方法可以促進這個進程。一些研究人員認為，儘快把人造細胞植入體內，藉助身體自帶的質量控制系統消滅有缺陷的生殖細胞，為合格的細胞留下更多資源，將獲得更好的結果。美國蒙大拿州州立大學的幹細胞科學家勒妮·雷約·佩拉在精子研究中採取了這種方法。在自然情況下，只有最健壯的精子才能存活下來，讓卵子受精，但是，在培養皿中發育成熟的精子沒有經過這種競爭，增加了缺陷精子與卵子結合的可能。由於人類身體能巧妙地清除劣質精子，佩拉的工作重心是製造可以在睾丸中發育成熟的精子原始細胞。「我們認為，身體應該會做出選擇。而在培養皿中，我擔心在人工干預下，細胞經歷的過程與自然條件下是不同的。」

不管科學家多麼小心，還是有批評聲音認為，人造的卵子和精子不能用來孕育生命。比如馬西·達諾夫斯基就認為，實驗室培育的生殖細胞不可能足夠安全，不應冒這樣的風險。達諾夫斯基是美國遺傳學與社會中心的執行主任，這是一個致力於讓人類遺傳技術得到正確應用的公益機構。她表示，她完全支持針對人類和動物發育的研究，但利用改造過的卵子和精子創造新生命，尤其是人類，是不應該越過的底線。「我認為，任何通過這種方式出生的孩子都有非常大的生物學風險，」她引用了哺乳動物克隆的例子：很多克隆胚胎不能發育，有些克隆動物出生時就伴有嚴重的健康問題。達諾夫斯基相信，必須制訂公共政策，確保林克彥、蘇拉尼、雷約·佩拉等人追求的科學進展不會越界。

也有人擔憂，這種方法可能意味著「為人父母」的概念面臨衝擊。例如，如果任何人的細胞都能被轉化成精子或卵子，這是否預示未來能用同一個人的細胞生成精子和卵子，生出一個「單親」孩子？會不會有人從餐巾紙或者床上收集到其他人脫落的皮膚細胞，然後在未得到對方允許或對方壓根不知情的情況下生出一個孩子？除此之外，正如哈佛大學醫學院院長喬治·戴利和同事去年在《科學·轉化醫學》上所寫的那樣，這些技術能以此前難以想像的規模製造胚胎，無形中讓人類生命貶值，同時也給相關政策帶來了難以應付的挑戰。

研究人員說，倫理方面的擔憂至今仍制約著與人類相關的體外配子生成研究，研究經費也一直維持在最低狀態。有關胚胎的研究在美國長期受到限制。儘管奧巴馬政府對幹細胞研究表示出比前任更友好的態度，許多人預計在特朗普任內，美國政府應該會走回頭路。在其他國家也是如此，按照蘇拉尼和英國利茲大學的海倫·皮克頓的說法，由於相關研究經費很少，想得到自然胚胎的組織樣本很困難，這給研究帶了額外的障礙。林克彥說，在他的祖國日本，要從事人類生殖細胞研究十分困難。（日本法律禁止讓人類生殖細胞受精，即使是出於研究目的。）但是，以色列魏茨曼科學研究所的幹細胞科學家雅各布·漢納說，他感到研究環境比較寬鬆，因為該國的文化氛圍導致人們對促進生殖的技術有興趣。

5.倫理難題

但是科學家說，即便永遠也不用來孕育人類嬰兒，單純追求製造出卵子和精子的目標也是非常有意義的。這樣的研究能夠幫助我們治療不孕不育、認識早期發育和探明毒素對人類遺傳的影響。「這是一次發現之旅。」專攻卵巢生理學和生殖學的皮克頓指出。例如，找到識別高質量卵子和精子的方法，有助於改善試管嬰兒的選擇過程。而在不斷改進配子製造方法的過程中，我們將第一次實時觀察到細胞出錯導致疾病、出生缺陷或細胞死亡的真實情況。

了解如何把皮膚或者血液細胞轉化成卵子和精子，也有助於科學家研究表觀遺傳學現象——不是基因發生了變化，而是基因表達有所改變。理解精子和卵子形成早期的發育過程，可以讓我們搜索這些細胞中的甲基或其他累積在基因中的變化。目前，研究者發現某些性狀變化能在遺傳學基礎沒有改變的情況下傳給後代，這背後的機制是個研究的重點。例如，2016年的一項研究發現，納粹大屠殺的倖存者在那場浩劫數年之後生下的孩子，與應激激素調節相關的基因區域出現了表觀遺傳變化。那些基因沒有變化，但基因表達的方式卻傳遞給了後代。蘇拉尼指出，用幹細胞培育卵子和精子，能讓科學家深入研究這種表觀遺傳過程，也能幫助我們認識與衰老相關的疾病，這些疾病往往是由表觀遺傳標記物的積累造成的。如果找到了在生殖細胞發育過程中抹去表觀遺傳標記的新方法，甚至可能為衰老相關疾病的治療提供新思路。

蘇拉尼現在正研究細胞的能量工廠線粒體在卵子形成過程中起了怎樣的作用。線粒體在生殖過程中要經歷一個選擇矯正過程，因為孩子只能從母親一方得到線粒體的遺傳物質。在線粒體中校正缺陷的程序目前尚不清楚，但是蘇拉尼希望，通過研究生殖細胞如何修復缺陷，他和他的團隊能學到很多有關細胞能量和相關疾病的知識。「沿著這條路，我們能收穫大量知識，對人類健康產生重大影響。」他說。

林克彥希望，這項工作將有利於搶救和恢復幾乎滅絕的物種，比如白犀牛。通過提高對配子形成過程的認識，研究人員能更好地處理很可能滅絕的物種。他正試圖在白犀牛細胞上複製小鼠細胞研究，但是進展很緩慢。除不同物種生殖過程存在諸多差異之外，等待時間也長得多。小鼠懷孕期是20天，而白犀牛的懷孕期是16個月。

林克彥在講座中提及白犀牛相關研究時，所有人都很高興。但是，當他提到，同樣的研究會在人類身上進行時，「一些人非常懷疑，有些人感到十分恐慌」。林克彥理解他們的擔憂。在人類幹細胞成功轉化成有用的卵子和精子前，大量人類的生殖細胞和胚胎將被浪費，而即便是有活性的配子也存在導致出生缺陷的風險。

佩拉相信，研究這項技術在人類身上的應用是符合倫理的，而且，如果足夠安全，甚至可以使用它來孕育人類。她本人是一個癌症倖存者，也是不孕症患者，她相信幫助人們擁有自己的孩子，理應得到倫理上的支持。

但是棘手的問題依然存在，例如什麼是安全標準和由誰決定安全標準。當科學家開發出其他有爭議的技術時，比如試管嬰兒和基因編輯CRISPR系統，研究人員、倫理學家和公眾一同參與的正式會議，有助於為其潛在應用制定建議和指導方針。研究人員和倫理學家強調，對體外配子生成可能也需要這麼做。此外，這些交流應該在技術應用於人類身上之前進行。「在體外配子生成技術最終應用於人體之前，應該告知全社會這項技術會帶來的衝擊，並保持積極的公開對話來討論相關的倫理問題。」戴利和同事在2017年1月發表的論文中寫到，「隨著科學和醫學的飛速發展，生殖和再生醫學的迅速轉化將使我們大吃一驚。」