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議題背景：

今（2022）年8月26日台北時間凌晨，國際期刊《自然》（Nature）發表最新研究，讓胚胎研究的技術得到重要突破。Magdalena Zernicka-Goetz的研究團隊使用從多種不同的幹細胞，合成小鼠的胚胎。在這項研究之前，雖然有一些胚胎相關的結構被產製出來，但是還無法完全模擬胚胎發育的每一個階段。這份研究顯示出Goetz所合成的小鼠胚胎包含跳動的心臟，神經管和腸管等結構，可以不用使用實驗動物而瞭解早期的胚胎發育過程中，腦部和神經系統相關疾病的發展。但還無法以這份研究發展的系統來研究胚胎發育後期的階段。

研究文獻：

Amadei, G. et al. (2022) "Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis". Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3

※為了盡快了解研究的重大發現，此為Nature期刊提供的手稿，是未經編輯的版本，已經過同儕審核，但請注意，此版本可能有會影響研究內容的錯誤。最終發布完稿之前，研究者還可能修正文章內容。

英國Science Media Centre專家意見：expert reaction to a paper describing the generation of synthetic stem cell-derived mouse embryos

專家怎麼說？

2022年08月24日
國立成功大學生理學科暨研究所教授 楊尚訓

1. 這份研究的重要性為何？這代表研究胚胎發育過程的疾病時，有望減少實驗動物的使用嗎？

這份研究最重要的概念是可以混合不同的胚胎細胞株，去模擬「早期胚胎（懷孕約前1/3階段）」發育，並且在體外的培養系統，成功讓這些合成的胚胎生成神經管、心臟、腸管等器官（過去技術無法在體外進展到這一個階段），並且這些器官在結構與基因表達與活體胚胎非常類似；同時作者也利用這個技術去研究特定基因在胚胎早期發育的影響，並發現相關的基因調控與活體動物實驗有非常類似的結果，因此作者推斷這個合成胚胎的系統可以取代活體實驗動物，進行基因對早期胚胎的調控、器官分化等相關研究。

基本上，對於早期胚胎的研究，相信此研究中系統的建立可以減少實驗動物的使用，但是還是較限制於「早期胚胎的研究（約前1/3懷孕階段）」，對於胚胎較後期發育的研究，仍需進一步建立更好的系統。

2. 這篇研究的推論是否有研究限制？

有四項推論的限制。
(1)僅限於「胚胎早期」的研究，對於胚胎後期的部分，仍必須進一步優化培養系統去模擬體內的發育。
(2)合成的胚胎缺乏與母體子宮相似的培養環境，因此跟實際體內的胚胎發育還是會有不同。
(3)此研究雖看到早期器官的形成，但各個器官或生理系統間的連結與溝通，此研究未進行相關探討。
(4)此合成的胚胎，有觀察到胚胎組織缺陷的問題，因此培養系統仍可進一步優化。

3. 這篇研究可以如何幫助我們了解人類的胚胎發育機制，以及改善人類胚胎發育過程的問題？

在人類研究的部分，過去的研究者是已經建立相關的胚胎細胞株，但是與此研究類似的混合培養系統建立仍有限。

過去已經有科學家利用臨床不孕症中心淘汰的胚胎（未移植入母體的胚胎）建立人類的胚胎幹細胞，因此我們可以用這些已經有的人類胚胎幹細胞來進行此文章的相關研究；因此不用再犧牲新的受精卵胚胎去重新建立新的胚胎幹細胞株。唯人類的胚胎發育時程較長，因此是否真的可以模擬人類早期發育，或是可以模擬到早期哪個階段，仍需要實驗進一步驗證。

4. 依據您的研究經驗，用合成的方式產製動物胚胎來做研究，在台灣是可行的嗎？

這部分絕對是可行，相關的生物材料（不同的細胞株）或培養器材，在台灣都是可以自行建立或購買的到；唯獨細節的培養條件到成功培養出不同器官的部分，仍必須進一步摸索或跟該實驗室學習；因此可否重複或建立相關系統，台灣研究者仍需要努力。

5. 這份研究，和先前來自另一個研究團隊Jacob H. Hanna等人刊登在Cell期刊的研究，結果有何不一樣？

研究的目的與結果幾乎都達到相同階段，但因材料方法的細節並不是非常清楚，因此推判可能在系統的建立上會有不同；此外，這篇Nature的文章，更進一步利用基因編輯的胚胎幹細胞去進行實驗，發現是跟活體動物有類似的結果，因此說可以當作發育生物學研究的新模式，這是這篇Nature文章的進一步突破。值得注意的是，在Cell的這篇，從投稿到接受不到兩個月（對這種期刊，可說是極快速），有可能是研究團隊的競爭，知道Nature已在2021審查這文章，因此加速發表。所以個人認為兩篇文章基本上是類似的概念與突破。

6. 研究結果可能幫助人類器官移植的應用嗎？

這是這方面的研究的終極目標之一，但目前的結果，僅在「小鼠胚胎發育的前1/3時期」，因此僅可說是跨出了一步，但對於體外培養出器官供器官移植用，目前仍有一段距離。

2022年08月24日
臺灣大學生命科學系教授 李士傑

1. 這份研究的重要性為何？這代表研究胚胎發育過程的疾病時，有望減少實驗動物的使用嗎？

在此研究之前科學家可以培養胚胎幹細胞（embryonic stem cells, ESCs），使其增生分化，形成類似胚胎發育早期構造之「類腔腸胚」（gastruloid），且可將其埋植於天然水凝膠中，誘導形成具有肌節、神經管及腸道之軀幹構造，然而此「類腔腸胚」的細胞移動無法和真正的腔腸胚相同，也無法發展出完整的解剖構造。
而本文作者先前曾成功組合三種不同的幹細胞[註1]形成ETiX-類胚胎（ETiX embryoids）。不同於之前其他的研究，ETiX-類胚胎可特化形成特定的組織構造[註2]，持續發育過程，並形成之前類腔腸胚所沒有的前腦構造。

然而之前類腔腸胚相關研究受限於子宮外培養的技術，無法在體外長期培養，本研究結合由Jacob Hanna實驗室所發展之技術將ETiX-類胚胎培養至授精後8.5天，成功發育出初始生殖細胞（primordial germ cell，PGC）、所有腦區、神經管、跳動的心臟及腸道。更重要的是作者利用一種缺少Pax6基因的胚胎幹細胞建構之ETiX-類胚胎，可重現自然情況下缺少Pax6基因的胚胎特徵。此一結果顯示ETiX-類胚胎可做為基因缺失及其他疾病研究的模式。此一推論或許有希望可減少實驗動物的使用。

2. 這篇研究的推論是否有研究限制？

首先，合成ETiX-類胚胎的成功率僅約五分之一，雖然單細胞基因分析的結果顯示相同發育時期的ETiX-類胚胎與母鼠產出的自然胚胎，以及成功與失敗的ETiX-類胚胎之間，基因群的表現和分布並無顯著差異。有可能在ETiX-類胚胎組合發育過程中，某種或多種分子（例如黏著蛋白）的表現、分佈或功能不正常。再者，ETiX-類胚胎之發育亦較自然胚胎來得慢。各種其他未知因子之下，目前想取代部分的動物模式可能還言之過早，但已明顯優於之前類胚胎之研究。

3. 這篇研究可以如何幫助我們了解人類的胚胎發育機制，以及改善人類胚胎發育過程的問題？

文中所述缺少Pax6基因的ETiX-類胚胎可成功的產生Pax6基因剔除的缺陷特徵，已足以證明其可用於基因功能的研究，自然也可以用於人類基因疾病相關之研究。

4. 依據您的研究經驗，用合成的方式產製動物胚胎來做研究，在台灣是可行的嗎？

據我所知，目前台灣並無實驗室進行相關研究，但以台灣研究社群之人才及設備，只要習得ETiX-類胚胎之產製以及子宮外長期胚胎培養這兩個關鍵技術，用合成的方式產製動物胚胎來做研究，在台灣是可行的。

5. 這份研究，和先前來自另一個研究團隊Jacob H. Hanna等人刊登在Cell期刊的研究，結果有何不一樣？

另一個團隊於2022年8月2號在Cell 期刊所發表的研究（Tarazi et al., 2022, Cell 185, 1–17）[1]，其實該文通訊作者亦為本文共同作者之一。使用些微不同的方法，結果大致驗證彼此的結論即使用三種不同小鼠幹細胞合成之類胚胎可在體外培養至授精後8.5天，發育出初始生殖細胞、所有腦區、神經管、跳動的心臟及腸道。本文則另外證明使用此等類胚胎研究基因缺陷之可行性。

6. 研究結果可能幫助人類器官移植的應用嗎？

此研究成果僅能證明利用不同幹細胞合成類胚胎後續發育的可能性，離培育成一個可提供真正有功能的組織及器官之個體還有很長的路要走。至於可否幫助人類器官移植的應用，這是很重要的一步，但後續除了技術上之突破，更有倫理及法律上的問題要先克服。

註釋與參考文獻：

[註1] 三種幹細胞分別為，可形成胎兒本體的胚胎幹細胞、卵黃囊的滋養層幹細胞（trophoblast stem cells, TSCs）以及由胚外內臟內胚層（extraembryonic visceral endoderm, VE）前驅物而來的誘導型胚外內胚層幹細胞（inducible extraembryonic endoderm stem cells, iXENs）。

[註2] 此特殊構造包含，前端組織體（anterior organizer）及前端內臟內胚層（anterior visceral endoderm, AVE），可遷徙至原線（primitive streak）而引發類腔腸胚無法完成的腔腸化細胞遷徙及後續的發育過程。

[1] Tarazi, Shadi, et al. "Post-Gastrulation Synthetic Embryos Generated Ex Utero from Mouse Naïve ESCs." Cell (2022).