用实验室培育的卵子和精子造宝宝，科学家在做什么？

在日本大阪大学一栋建筑顶楼的安静走廊尽头，林克彦（Katsuhiko Hayashi）正在酝酿一场革命——有关人类胚胎科学的革命：世界监管机构能否跟上其发展步伐？他数十年来一直致力于在实验室中培育卵子和精子。林克彦希望了解这些生殖细胞的基本生物学原理，但若成功，这可能会永远改变人类的生殖方式。

即便是对以极度坚韧著称的科学家而言，这也是一条曲折的道路。他的研究涉足一些奇特领域：实验室在培养皿中培育人造卵巢和睾丸碎片，并已培育出拥有两位父亲却没有母亲的小鼠。他发表的每篇论文都会收到大量邮件，人们迫切希望他能帮助解决生育问题。“我会告诉他们‘这仍处于实验阶段’，”林克彦说，“但有时我无法回复，因为邮件实在太多了。”

林克彦及该领域其他研究者的工作，可能为不孕不育人群以及希望拥有与双方均有基因关联孩子的同性伴侣带来新希望。然而，尽管研究人员在啮齿类动物身上取得了令人瞩目的成果，这一未来仍很遥远。“这项技术非常酷，”德克萨斯州奥斯汀市专注于生育领域的生物技术公司Gameto的首席科学官克里斯蒂安·克拉姆（Christian Kramme）表示，“但从根本上说，我认为未来十年内，世界上不应有任何人尝试将其应用于临床。”

不过，研究人员仍有许多中期目标可以追逐。加拿大卡尔加里大学的生殖生物学家伊娜·多布林斯基（Ina Dobrinski）表示，制药公司和监管机构希望，充足的人类配子（卵子和精子的统称）供应能让测试药物及其他化合物是否会降低生育能力或导致可遗传突变变得更加容易。英国剑桥大学的发育生物学家阿齐姆·苏拉尼（Azim Surani）则认为，在实验室中重现人类发育过程可能会揭示不孕不育的线索。“这将是这些研究最伟大的成果，”他说，“一旦了解不孕不育的原因，或许就能找到克服它的方法。”

但随着实验室推进这些实验，一些研究人员开始担忧该技术未来的潜在用途。在实验室大量培育配子可能会让父母更容易筛选具有理想性状的胚胎，甚至为培育基因编辑婴儿提供便利。尽管据估计这些用途至少还需15年才能实现，但研究人员和一些政府机构呼吁制定法规，以解决与实验室培育卵子和精子（即体外配子发生，IVG）相关的潜在问题。

研究人员对人类IVG何时能成为现实的预测存在分歧。林克彦的实验室已利用其在实验室培育的“类卵细胞”培育出可育的小鼠幼崽。他表示，未来两年内，实验室有可能培育出与这些细胞相当的人类细胞。这些小鼠有两位生物学意义上的父亲，它们是利用从雄性皮肤细胞制成的卵子培育而成的。但他补充说，这并不意味着这些细胞已准备好应用于人类。从他培育的类卵细胞生成的小鼠胚胎中，只有一小部分能发育成活的幼崽，林克彦推测，可能需要五年或更长时间才能培育出真正功能正常且成功率可接受的人类卵子。科学家还需要培育和测试非人灵长类动物的配子。理想情况下，由这些卵子和精子培育出的后代需要被追踪多代，这将使时间线延长数年。“这是一个关键点，”日本京都大学的发育生物学家斋藤通纪（Mitinori Saitou）说，“我猜这可能需要依靠下一代科学家来完成。”

近20年来，研究人员已知道如何将人体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPS细胞），这种细胞几乎可以分化成任何细胞类型。此类细胞已被用于制造同步跳动的心脏细胞和传导电信号的神经细胞。但重现精子和卵子复杂且漫长的发育过程被证明更为困难。“这涉及太多阶段，”苏拉尼说，“而且每个阶段都非常复杂。”

正常情况下，配子发生在出生前就已开始。卵子发育始于胎儿期，此时会产生数百万个未成熟卵子。其中一些细胞随后启动一种特殊的分裂方式，称为减数分裂，在此过程中它们会失去一组染色体，每个细胞保留普通细胞一半的染色体数量。但这种分裂需要数年才能完成：细胞在减数分裂中期暂停，直到多年后青春期排卵时才恢复。每个未成熟卵子都被形成充满液体卵泡的组织包围，这些卵泡会分泌激素并随着卵子发育而成熟。与此同时，产生精子的细胞也在胎儿期形成，青春期后，它们每天能在睾丸弯曲的曲细精管中产生数百万个精子。曲细精管的环境比卵巢的卵泡更复杂，科学家更难在实验室中重现。在这两种情况下，发育中的卵子或精子所处的微环境都至关重要。细胞通过蛋白质和其他分子与其周围环境交流，并从环境中接收影响其发育的物理信号。

荷兰莱顿大学医学中心的发育生物学家丘瓦·德·索萨·洛佩斯（Chuva de Sousa Lopes）表示，由于难以获取研究卵巢和睾丸正常发育的组织，研究人员正在使用能够监测单个细胞和完整组织中基因活性及蛋白质表达的技术，以确定哪些分子和细胞类型可能至关重要。一些研究将人类细胞与小鼠卵巢或睾丸细胞共同培养，以促使其发育成卵子和精子，但这种方法不能用于制造人类生殖用的配子，因为可能会受到动物病毒的污染。在加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学，泌尿科医生瑞安·弗兰尼根（Ryan Flannigan）及其同事正在为IVG实验用人类细胞3D打印睾丸曲细精管。其他方法包括使用模拟器官的微流体装置。多布林斯基的实验室培育称为类器官的3D细胞培养物，其中结合了睾丸中发现的多种细胞类型。

但仍有问题需要解决。例如，多布林斯基的团队难以让类器官存活足够长的时间来培育人类配子。美国宾夕法尼亚大学的生殖生物学家佐佐木孝太郎（Kotaro Sasaki）说，在人类中，卵子和精子的发育需要数月时间（还不包括青春期前长达数年的等待）。“很多人不知道这有多困难。”

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的发育生物学家相泽荣志（Eishi Aizawa）表示，长时间的培养不仅减缓了研究速度，还可能增加出错的风险，潜在地损害最终产物和任何后代的健康。一些研究小组正试图提高这一过程的效率。例如，一个团队最近发现了三种蛋白质，每种蛋白质似乎都能在雄性和雌性iPS细胞中启动减数分裂。但该团队成员、马萨诸塞州波士顿市生物技术公司Ovelle的首席科学官梅里克·皮尔森·斯梅拉（Merrick Pierson Smela）表示，这种减数分裂的某些特征不寻常，而且细胞不会完成分裂。

美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学兽医学院的细胞生物学家宝拉·科恩（Paula Cohen）表示，减数分裂是IVG的关键障碍。她和她的合作者近十年来一直试图诱导未成熟的人类配子进行正常的减数分裂。“这行不通，”她说。科恩表示，许多报告成功的团队并未充分证明减数分裂在培养皿中的进行方式与在体内一致。而正常的减数分裂至关重要：该过程中的错误会导致配子染色体数量异常。

上个月报道的另一种方法似乎能产生能够受精的功能性卵子。研究人员用皮肤细胞（每个染色体有两份）的细胞核替换了未成熟卵细胞（每个染色体有一份）的细胞核。然后他们触发了一个他们称之为“有丝分裂减数分裂”（mitomeiosis）的过程，该过程丢弃了一组染色体，模拟了减数分裂的某些特征。约9%的这些细胞形成了可存活的卵子，这些卵子受精后再发育六天，形成了称为囊胚的胚胎前体。但所有囊胚都存在染色体异常，并且它们没有经历配子发育过程中通常发生的基因重组。科恩说，这种重组是遗传多样性的来源，目前尚不清楚缺乏重组会对后代产生何种影响，也不清楚“有丝分裂减数分裂”过程如何影响后续的细胞分裂。“这需要深入研究。”

苏拉尼表示，实验室培育的配子还需要正确完成DNA修饰序列，尤其是“印记”过程——早期配子发生时，细胞会系统性地清除某些可能影响基因活性的化学修饰，之后在DNA的特定区域添加新的修饰，其中一些被称为“印记”。这一步至关重要：十多种疾病与印记异常有关。“你必须做好这一点。”

尽管据估计这些应用至少还有15年的距离，但研究人员和一些政府机构已在呼吁制定法规，以解决与实验室培育卵子和精子相关的潜在问题。