重點摘要:
  1. 目前仍無法完全以體外胚胎培養系統替代動物母體精密之胎盤構造;此外,可能引發相關的倫理規範與道德爭議,人造子宮技術的研究與發展仍面臨許多的挑戰。
  2. 這篇研究以人類臍帶血的血清取代培養液中的部分鼠血清,可使77%的鼠胚成功發育至11天的胚胎(器官生成階段),此為胚胎發育最複雜而不易觀察的階段。
  3. 此項技術性的重大突破可減少因試驗需求而犧牲的生命,可大幅度降低研究胚胎發育過程的難度,同時也可觀察體外培養的胚胎經基因轉殖與細胞注射等顯微操作後的發育,作為探討基因功能以及發育相關疾病模式的研究平台,或許未來亦有助於解決不孕症與體外器官產製之問題。

議題背景:

今年(2021年)3月17日,以色列的研究團隊通過Nature期刊的同儕審核,預計發布正式研究成果,成功提高小鼠胚胎在母鼠子宮外正常發育的時間。新聞引用此研究並指出,成功讓小鼠胚胎在人造的子宮中正常發育至11天,下一步可能是嘗試使人類胚胎在子宮外生長;新聞提及這有助於了解胚胎在子宮著床後的實際發育過程。

研究摘要:從前期原腸化到晚期器官生成的子宮外小鼠胚胎發育

研究原文:Aguilera-Castrejon, Alejandro, et al. (2021).“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesisNature, 1-9.

新聞報導:

  1. Gina Kolata (2021).“Scientists Grow Mouse Embryos in a Mechanical Womb.The New York Times, March 17.
  2. Antonio Regalado (2021).“A mouse embryo has been grown in an artificial womb—humans could be nextMIT Technology Review, March 17.
  3. Now新聞(2021)。〈以色列科學家用人造子宮培育老鼠胚胎〉,3月18日。

我們邀請專家回應如下:

專家怎麼說?

2021年4月8日
中國醫藥大學生物醫學研究所教授 朱志成

體外培養系統是生物學家研究與預測活體發育狀態的有效方式之一。在動物與人類胚胎發育方面,建立完善的胚胎體外培養系統,不但可以縮短研究時程、節省時間與人力成本的支出外,更重要的是可以減少因試驗的需求而無謂的犧牲生命。截至目前為止,人類科技尚無法真正創造生命,因此減少對生命的浪費仍是目前科學家能做到珍惜與尊重生命的最佳抉擇。為了達到此類目的,科學家利用生物科技合成生命(synthetic life)、產製人工肉(artificial meat)、產製人工胚胎(artificial embryo),以及今年以色列研究群Hanna等人首度在自然期刊(Nature)發表的模擬小鼠人造子宮 (artificial womb)環境等研究[1],都是朝此方向努力的典型。

Hanna等人所建立的人造子宮平台實為一滾筒式培養系統(the roller culture system),乃結合漸進式高氧與高血清之培養方式,逐步提升環境中的氧氣使之更加均勻的溶入培養液中,使胚體能更有效的獲取足夠的氧氣與營養,並以人類臍帶血的血清取代培養液中的部分大鼠血清,可使77%的鼠胚成功的自受精後第5.5天的胚胎(E5.5)[2]發育至第11天的胚胎(E11)。此階段是胚胎發育過程中器官生成(organogenesis)時期,也是胚胎發育最複雜而不易觀察的階段。目前不論在著床前、後(peri-implantation)培養胚胎[3, 4]或使用合成囊胚(blastoids)[5, 6],仍無法使胚胎在體外正常著床並發育至成體;亦即仍無法以體外系統替代「著床」過程、後續胚外組織之發育、與母體循環系統之維繫等。因此,進一步優化人造子宮成為此研究領域之重要課題,不但可大幅度降低研究胚胎發育過程(如著床機制與器官生成等)的難度,同時也可觀察體外培養的胚胎經基因轉殖與細胞注射等顯微操作後的發育,或作為探討發育相關疾病模式的研究平台,甚至未來有助於解決不孕症之問題等等,不論在基礎研究以至於臨床治療方面都有極高的應用價值。

談到人造子宮就會很自然的聯想到將來應用該技術於培養人類胚胎的可能性。Hanna團隊的研究顯然已朝真正人造子宮的願景邁進一大步,但後續仍有許多的挑戰等待著一一克服。未來可能應特別著重於當胚胎發育至一定大小後,如何有效率的滿足大量養分與氧氣之需求,此目的無法單靠培養系統中的加壓與擴散作用,上帝所賦予精緻的胎盤結構與血液循環才是重要的關鍵之一。此外,雖然小鼠與人類胎盤構造尚稱接近,兩者皆屬於血性絨毛膜胎盤(hemochorial placenta)[7],但滋養層細胞[8]形成的結構層次仍然不同,尤其較其他物種更是相去甚遠。這些構造上的差異性也可能影響未來設計人類與不同動物胚胎體外培養系統的運作效率。未來主要研究重點應致力於研發能更有效供應懷孕中、後期胎兒發育所需營養的體外培養系統,而這也正是完全在體外培養胚胎或研發「人造子宮」的挑戰項目之一。

總之,此項技術性的重大突破有助於研究胚胎發育與減少浪費動物的生命,未來可望應用於研究人類胚胎著床發育與不孕症(包括在母體外培育出完整的後代),或許亦可能利用類似的體外培養系統培養出人類器官;然而,就現階段而言,欲取代動物母體精密之胎盤構造並克服物種之差異性,外加可能引發的倫理規範與道德爭議,前瞻人造子宮技術的研究與發展仍有漫長的路途要走。

相關利益聲明:無相關利益

註釋與參考文獻:

[1] Aguilera-Castrejon, Alejandro, et al. (2021).“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis”Nature, 1-9.

[2] 第5.5天的胚胎(E5.5):是胚胎分化為三胚層的階段之一,此時胚胎內形成空腔,稱為原腸胚(gastrula)時期。

[3] Bedzhov I, Zernicka-Goetz M. Self-organizing properties of mouse pluripotent cells initiate morphogenesis upon implantation. Cell 156(5):1032-1044 (2014)

[4] Deglincerti A, Croft GF, Pietila LN, Zernicka-Goetz M, Siggia ED, Brivanlou AH. Self-organization of the in vitro attached human embryo. Nature 533(7602):251-254 (2016)

[5] Rivron NC, Frias-Aldeguer J, Vrij EJ, Boisset JC, Korving J, Vivié J, Truckenmüller RK, van Oudenaarden A, van Blitterswijk CA, Geijsen N. Blastocyst-like structures generated solely from stem cells. Nature 557(7703):106-111 (2018)

[6] Harrison SE, Sozen B, Christodoulou N, Kyprianou C, Zernicka-Goetz M. Assembly of embryonic and extraembryonic stem cells to mimic embryogenesis in vitro. Science 356(6334):eaal1810 (2017)

[7] 血性絨毛膜胎盤:是一種胎盤的種類,母體的血液會直接接觸到圍繞著胚胎的絨毛膜。人類與一些齧齒類動物的胎盤屬於此種類別。

[8] 滋養層細胞:胚胎發育過程中的滋養層細胞(trophoblasts),會逐漸形成將絨毛膜囊連接到子宮內膜的構造,負責調控養分與交換氣體等。

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