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由此篇文章，衍伸出與工商時報合作的報導，刊載於〈科學家新視野專欄－幹細胞合成胚胎—試驗動物減量與人類器官產製的前景〉

文／中國醫藥大學生物醫學研究所教授 朱志成

【背景】

研究胚胎發育與相關疾病的困難點之一，是無法直接在子宮或活體進行細部的觀察，因此建立一個有效的離體胚胎發育模式顯得格外重要。為了解決這個問題，早在2017年時荷蘭烏特勒支大學（Utrecht University）、馬斯垂克大學（Maastricht University）與英國劍橋大學的團隊，分別發表了以幹細胞產製合成胚（synthetic embryos）的研究。當時劍橋大學的Prof Zernicka-Goetz率先以胚幹細胞（embryonic stem cells, ESCs）、滋養層幹細胞（trophoblast stem cells, TSCs）與胚外內胚層幹細胞（extra-embryonic endoderm, XEN stem cells）培養出可發育至中胚層與生殖前驅細胞的類胚胎（embryoids）[1]，其構造與分化狀態約為原腸形成（gastrulation）[註1]前後的階段，而荷蘭的團隊也以ESCs及TSCs培養出類似的類囊胚（blastoids）[2]。

【新里程碑】

2022年8月Zernicka-Goetz團隊在Nature期刊發表的一篇研究中[3]，採用Jacob H. Hanna等人發表的滾筒式體外培養系統，使合成胚的體外發育再度向前邁進一大步，由僅可在體外培養4-5天（腔腸生成階段）延長到7-8天（器官形成階段），此時胚胎前端開始形成立體的皺褶（頭褶），並先後發育出腸道、腦部與心臟等構造，甚至出現心跳；胚外組織的發育也轉趨複雜，在卵黃囊已開始出現了血液細胞，這是哺乳動物胚胎體外培養技術的一大突破。

Jacob團隊幾乎同時也在Cell期刊發表類似的成果[4]，兩者使用的培養系統雷同，僅細胞來源與胚胎的分析方法不同。Hanna合成胚所用的細胞皆由最初始的始基胚幹細胞（naïve ESCs）誘導而來，而Zernicka-Goetz則使用ESCs、TSCs以及由ESCs誘導的iXEN細胞，並比較其與正常胚的差異。雖然這些合成胚在形態與發育速度仍與正常胚有所區別，但各項證據顯示兩者已十分近似。

這些成果無疑是繼2017年以來，再次締造以幹細胞合成胚胎的另一個新里程碑；此一突破拓展了科學家探討早期懷孕過程、不孕症、器官產製與移植等研究的視野，甚至可望減少相關研究的動物使用量。儘管如此，這項研究仍存在其瓶頸與未來科學家或相關單位可以進一步思索的空間。

【低產製效率】

目前研究的瓶頸包含胚胎僅能在體外發育至器官生成階段，以及生成許多異常的胚胎，而低產製效率更是主要的限制因素。目前能發育至器官生成階段的合成胚效率甚低，平均合成胚的產製效率僅約0.1~0.5%，顯見整個培養過程尚有很多改善空間。在如此低效率下產出的「胚」，是否能真正模擬早期胚胎的生理仍有待商榷，尤其是預期產出的數量、品質、整齊度以及可供試驗的最佳發育階段等。造成低產製率的原因未明，推測可能與所使用幹細胞的品質或培養條件有關，導致細胞最終的分化能力不足；而不同細胞間的訊息溝通與整合等環節也十分重要。

此外，進行相關研究的另一個限制，是正常胚的體外培養系統尚未臻完善。目前即使是使用完整的鼠胚，仍無法持續於體外正常發育至懷孕中、後期的階段，更遑論由幹細胞產製的合成胚。因此，在期待合成胚能有效節省實驗動物之使用或作為試驗模式之前，發展高效率的體外培養系統仍屬當務之急。值得注意的是2017年已有研究指出具備全能分化潛力（totipotency）的幹細胞（expanded potential stem cells or extended pluripotent stem cells, EPSCs）[5][6]，這些細胞具備類似胚葉細胞（blastomere）的發育全能性[註2]，可在體內分化為胚內與胚外組織（包括胎盤）。未來或可探討以此類幹細胞改善合成胚的效率與品質的可行性。

【提供人類器官移植與研究的新希望】

合成胚可以讓我們更了解器官發育的過程，同時由於哺乳類早期胚胎的發育類似，未來也可望據以提升胚胎發育與相關疾病之研究，甚至提供人類可移植的器官。器官產製在全球已有多方研究，但截至目前為止，僅由美國的Revivicor公司利用基因轉殖與動物複製技術所生產的GalSafe豬心臟，可臨床移植到人體並能維持生命達兩個月之久。合成胚在這方面的應用，雖仍處於此初期的階段，但無疑也開啟了另一扇替代之門。

【倫理的考量與研究的省思】

社會大眾關注人類胚胎的程度將遠高於對動物者。此次合成鼠胚已可發育出早期的神經系統、心臟與消化道等構造，此對應至人類胚胎發育階段約為懷孕後17-19天。未來應先釐清這些合成胚是否具有神經或腦部活動、產生意識或如何界定生命的存在？而體外培養人類胚胎的倫理約束，是否仍應侷限於14天前或予以放寬？在合成胚胎技術成熟前，國內或可針對類似的敏感議題與國際同步規範或超前佈署。台灣目前相關研究設備或人員的素質與培訓，大抵與先進國家同步，但在此領域的研究尚未能與國際接軌；究其原因，是研究社群的大環境、風氣與思維模式的差異，或是研究經費與人力支持在制度面的不足？頗值得退一步來省思。

註釋與參考文獻:

[註1] 原腸形成（gastrulation）：是在胚胎發育過程中的一個階段。此時期上胚板細胞（epiblast cell）會分化形成三胚層（three germ layer），即外胚層（ectoderm）、中胚層（mesoderm）與內胚層（endoderm），最終繼續發育形成完整的個體。

[註2] 胚葉細胞（blastomere）：為早期胚分裂過程所形成的單一胚細胞；在受精卵發育過程中先分裂為兩個胚葉細胞，再陸續分裂為八個或更多的胚葉細胞；在這些分裂過程，每一個胚細胞都會逐漸分化為具不同分化潛力與功能的胚葉細胞。

[1] Harrison, S. E., et al. (2017). Assembly of embryonic and extraembryonic stem cells to mimic embryogenesis in vitro. Science 356: eaal1810.

[2] Rivron, N. C., et al. (2018). Blastocyst-like structures generated solely from stem cells. Nature 557:106-111.

[3] Amadei, G., et al. (2022). Embryo model completes gastrulation to neurulation and organogenesis.Nature, 1-11.

[4] Tarazi, S., et al. (2022). Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero from mouse naive ESCs. Cell 185:1-17.

[5] Yang, J., et al. (2017). Establishment of mouse expanded potential stem cells. Nature 550:393-397.

[6] Yang, Y., et al. (2017). Derivation of pluripotent stem cells with in vivo embryonic and extraembryonic potency. Cell 169:243-257.