不孕不育者的福音:一块皮肤能"改装"成精子卵子?

2017-09-08 08:43:00 网易科学人 分享
参与

  出品|网易科学人栏目组

  译者|晗冰

  据国外媒体报道,科学家正致力于在实验室中制造出精子和卵子,这会改变我们人类现有的生殖方式吗?

  我们姑且可以称他为B.D先生,这个称谓源自于他妻子在自己所开设的关于不孕不育博客“射空枪”(Shooting Blanks)中所述。几年前,这位学者在其36岁时得知自己患有无精子症(azoospermatic),这意味着他的身体根本就不会产生精子。

  在最近的电话采访中,我可以听到他妻子在身后的诉求。她已经35岁,似乎正在面对自己所述的一个可怕倒计时——一个没有孩子的人生。她在博客上写道:“没有孩子不能成为我的命运,这不可能。”

  到目前为止,尽管经过多年的药物治疗,维生素补充和甚至于大量手术,但不育症已被证明是无法治愈。虽然概率渺茫,但这位男性可能还有一个成为父亲的机会。2012年,B.D.先生来到斯坦福大学,技术人员对他进行了皮肤检测,从其肩膀上取下一小块皮肤组织。通过一种称之为“重编程”(reprogramming)的技术,皮肤细胞被转化成能够发育成不同类型人体细胞的潜能干细胞。然后,研究人员将它们移植到小鼠的睾丸中。干细胞会就此形成精子吗?两年之后,当科学家宣布他们发现了关于原始人类生殖细胞的证据时,这一颇具争议的研究结果成为了全国性的爆炸新闻。

  “我通过美国国家公共电台得知了这一消息。B.D.感到很震惊。

  这种实验的目的是将从成年人身上获得的普通细胞转化为具备完全功能的配子,即精子或卵细胞。没有人做这么做过,但科学家们表示,他们能够证明这是可能的。如果他们能够在实验室环境下制造出卵子和精子,那么可以治愈许多不育症。但是,这也将是一个根本的,也有些令人不安的科学进步,将生命的自然创造过程转变成实验室里的程序性工作。

  作为颠覆性研究的一部分,研究的本质在于细胞将如何决定自己的发育。是成为一个神经元细胞还是心肌细胞?在自然生殖过程中,从卵细胞受精的那一刻开始,就有一系列生化信号协调细胞的分裂,生长以及分化过程。研究发育的生物学家的目标是理解其中的每一步,然后将其原原本本地复制到实验室环境下。

  当然,人们会在实验室中制造细胞。但没有一种细胞会像精子或卵子这样带来巨大的科学和社会影响。重新创造这些细胞将使科学家进入一个秘密领域,那里世代之间的联系完全是虚构的。 “还有什么比这更有趣呢?这是如此的惊人,“用B.D.先生细胞进行实验的科学家Renee Reijo Pera这样表示。 “我知道有人研究地球生命的起源如何从地球开始的人,也有人寻找宇宙的边界。但这些都不足以与使精子和卵子结合发育成一个人相媲美。在大多数情况下,我们都有两条胳膊和两条腿。这是惊人的准确。“

  制造“人工配子”的过程一直在不断加快。在日本,科学家使用小鼠尾部细胞在培养皿中制造出卵子,然后发育成小鼠;而中国科学家后来声称,他们已经确定了制造小鼠精子所需分子信号的精确序列顺序。到目前为止,人类仍然没有发现能够让干细胞转化为功能性人类卵细胞或精子的精确生化配方。人类皮肤细胞还无法变成真正的人类生殖细胞。但是很多科学家认为,这只是一个时间问题——也许只需要一两年的时间,科学家就可以找出正确的方法。哈佛大学医学院院长、干细胞生物学家乔治·达利(George Daley)说,最新进展“非常清晰,令人惊叹”。

  鉴于对生殖发育基本单位的控制,这项研究工作正在引起不少企业家,法律专家,生物伦理学家和体外受精专家的关注。有些人认为,人造配子可能是自1977年试管婴儿技术诞生以来的最大技术进步。目前全世界有数百万人因为癌症,意外事故,年龄,以及遗传因素等多方面原因而无法生育。 “可以说,只要你有皮肤,只要你还活着,这样就可以让你拥有自己的精子,”B.D先生如是指出。

  但该技术可能为整个社会带来破坏性的后果。女性生育孩子不在受限于年龄。只要提取一些皮肤细胞就可以制造出卵细胞。如果在实验室里就可以生产出卵子和精子,那么为什么不能一次制造出几十个胚胎进行测试呢?可以从中选择疾病风险最小或智商最高的胚胎。斯坦福大学法学院成员、美国最有影响力的生物伦理思想家之一亨利格里利(Henry Greely)认为这种情况极有可能。去年,在其所著《性的终结》一书中,他预计一半的夫妇将在2040年停止自然生产,而是通过使用皮肤或血液的合成生殖繁衍后代。

  有人认为这是可能的,甚至有可能实验室制造的配子可以通过基因工程来消除疾病风险。此外还有更多的想象空间。例如,科学家认为男性皮肤细胞可以制造出卵子,而女性皮肤细胞也可以制造出精子,当然后者会因为缺乏Y染色体而更加困难。这种所谓的“性逆转”过程可以让两个同性别的人产生后代。再者格里利认为,“父母归一——用他自己细胞制造的精子和卵子产生自己的后代”,这个奇异的可能性占据了各大媒体的显著位置。最新进展的新闻报道。甚至有人认为这种技术可以从好莱坞影星乔治·克鲁尼(George Clooney)身上偷几根头发,从而创建一个关于好莱坞影星的精子银行。

  蒙大拿州立大学研究副主管Reijo Pera认为这种炒作非常有害,极易对人产生误导。“我并没有看到体外配子的恐怖幻象,我看到的是一群因无法生育而极度悲伤之人。 “她也对于通过实验室生产出一个孩子就能让不孕不育者走出痛苦心存疑虑。她说:“我认为这样会让那些不育的人感到悲伤。因为我们惯常所做的,就是通过自然方式生育后代。也许是我太过天真,但我认为获得健康孩子的方式还是应当让两个人结合在一起,有葡萄酒和晚餐,情之所至。“

  重编程细胞

  作为20世纪90年代的博士后研究员,Reijo Pera帮助确定了导致男性无精子症的关键基因。这种被称之为DAZ的无精子基因仅存在于灵长类动物中。这意味着,除了我们的双手和智慧之外,在生殖繁衍方面人类也有着独有细节特征。

  科学家的问题在于,许多这些特征细节并不为人所见。科学家用于研究目的的胚胎仅能在实验室环境下存活14天。而14天之后对于胚胎是一个关键的发育时期,有大约40个细胞会开始发育成所谓的性腺,也就是未来的卵巢或睾丸目前科学家仍然没有完全了解,配子在这段过程中如何获得了形成新生命的能力。

  雷诺佩拉(Reijo Pera)对解构这个过程的工作原理有着强烈的个人意愿。她在职业生涯早期被诊断患有卵巢癌,一种称为颗粒细胞瘤的罕见疾病使其无法生育。 “人们说,‘哦,没关系领养一个孩子很容易,这样做很容易,那样做很容易’,就在那时我开始关注到关于不育症的医疗保健问题。” 佩拉如是指出。最终她和她的丈夫决定从危地马拉收养一个孩子。直至2006年,她正在学习西班牙语,并被评为 “美国最有影响力的20名女性之一”。她告诉《新闻周刊》自己即将成为一名母亲。但随后危地马拉停止允许外国人收养孩子。当时她已经49岁了。

  “因此我们就决定开始这样一种生活,夫妻双方和一条叫Boo的狗。这就是我们所做的,“她说。

  尽管放弃成为一名母亲,但是佩拉并没有让相关的科学问题搁置。相反,她抓住了对不育症的终极答案。

  2006年,名为山中伸弥(Shinya Yamanaka)的日本科学家指出,他找到了可以将任何成人细胞(其中也包括皮肤和血细胞)转化为所谓多功能干细胞的方法。这些细胞被简称为iPS细胞经历了一种分子遗忘。就像在新形成人类胚胎中发现的细胞一样,它们没有固定的身份,但是能够发育成骨骼,脂肪或身体的任何其他部分。这项技术使用起来非常简单。有些人甚至将其比作生物界比较了柏林墙的倒塌。

  六年后,山中就因此获得了诺贝尔奖。随着iPS细胞技术的开发,他解决了长期以来的伦理争议问题。他找到了不使用人类胚胎便可探索人类发育的早期阶段的方法。此外,iPS细胞来自特定人群,这意味着所得到的细胞能够与患者完全匹配。科学家开始讨论为移植手术提供“个性化”的神经元或心脏细胞。

  佩拉和很多人一样知道基因相同干细胞在生殖中的重要价值。如何从皮肤细胞获得具备生物相关性的孩子?即便山中的“翻转”细胞技术能够直接应用,解决问题仍然具有相当的挑战性。科学家仍然不知道如何促使细胞发育成为神经元而不会成为脚趾甲。想出这样一个生化配方——促进细胞发育所需的精确成分和步骤已经成为生物学家望而生畏的难题之一。

  6月份,3,900名发展生物学家,生物技术主管和医生聚集在波士顿海绵会议中心,参加第15届国际干细胞研究学会年会。参会的山中成为日本媒体竞相采访的对象。而许多出席大会的科学家也致力于创建特定的细胞类型。哈佛大学道格拉斯·梅尔顿(Douglas Melton)表示,他花了十多年时间研究如何将干细胞转化为胰腺细胞,最终在2014年实现。他自己有两个患糖尿病的孩子,希望能够用细胞移植治愈他们的疾病。“我们希望完全控制和掌握细胞命运,”梅尔顿对与会者说。

  生命的秘密

  与会期间,我采访了两名日本科学家齐藤通纪(MitinoriSaitou)和Kashihiko Hayashi,他们曾在去年11月份报告说将小鼠尾部细胞转化为iPS细胞,然后变成了卵细胞。这是人类第一次在体外创造出了人造卵子。两位科学家使用这种合成的卵细胞生产出8只老鼠。这些老鼠不仅健康,而且具备生殖能力。这一研究历时五年时间,相关发表在《自然》杂志上的论文长达17页,而山中称齐藤通纪为“天才”。

  两位科学家现在致力于用同样的方式打造人类生殖细胞。齐藤通纪告诉我,山中亲自指导他制造人类配子。 “他亲自过问这件事。他认为我们应该这样做,因为科学地讲它非常有趣,“他说。 “我们对这些细胞如何发育成新个体非常感兴趣,这是控制细胞发育的终极方式。“

  山中领导的团队忙于证明iPS细胞具有实际应用:把诺贝尔奖的重要发现转化为治疗手段已成为国家层面的重点任务。?2014年,日本研究人员进行了iPS生殖细胞的首次测试,用于治疗失明。但是齐藤通纪称人造配子还没有被列入议程。“不是说人类配子的排序靠后,而是说根据没有列入研究日程。其甚至不能与替代细胞治疗相提并论,“他说,“我认为使用体外生殖细胞来创造人类个体非常困难,但并不是不可能。“

  这不仅是指在技术上很困难,齐藤通纪也对相关伦理影响心存芥蒂。他被不孕不育夫妇的来信所淹没。但在日本,原则上禁止科学家使用这样的细胞来打造人类胚胎。政府正在衡量是否需要放宽限制。

  相比于法律,技术障碍可能会率先被克服。尽管齐藤通纪对伦理问题担心重重,但关于在实验室中制造人类卵细胞的竞赛正在紧锣密鼓地进行。齐藤通纪承认,现在自己正与导师,剑桥大学的阿兹姆·苏拉尼(Azim Surani)进行了一场“不太愉快的”比赛,看谁能够成为第一个研究出秘诀的人。而他以前的学生,目前在九州大学任职的Hayashi也在暗自较劲。如果其中任何一个人完善这种技术的话,其他研究人员可能对于使用这项技术不会犹豫不决。

  当我问及Hayashi掌握如何创造出人类配子需要多长时间,他说需要10或20年时间。 “最困难的问题是要多久,因为我在做的这些实验并不容易。我不想信口开河说五年,“他说。 “那样五年后就有人会怪我。”

  科学家们已经可以诱导iPS细胞形成原始的生殖细胞,但如何将这些细胞转化为功能性精子或卵子还没有最终解决。在人类的自然发育过程中,这个转化直至青春期才完全完成。用他们的老鼠,齐藤通纪和Hayashi利用他们培养的小鼠,通过将iPS细胞置于模拟的卵巢中诱导iPS细胞。这种模拟卵巢使用从小鼠胚胎提取的组织构建。但从人类胚胎细胞中打造类似的培养皿并不现实,因为获得这样的组织非常困难。相反齐藤通纪认为,他需要利用iPS细胞制造模拟孵化器。这个额外的挑战可能会推迟实验的成功。

  即便他们确实制造出人类的卵或精子,科学家们依旧会遇到另一个障碍。因为证明这些细胞有效性的唯一办法就是创造一个人类的后代,现在这是日本科学家不愿意考虑的。

  相反,为了论证实验,Hayashi和齐藤通纪也使用了猴子进行实验。Hayashi表示,与人类具有密切相关性的动物将是论证他们的技术对“灵长类动物是否安全”的良好模式。 “我们需要证明的是,我们可以制作出高质量的卵细胞。为此,我们需要产生出后代。“他如是指出。

  胚胎种植

  随之而来的是不可避免的商业利益。在采访Hayashi时,的日本生物技术公司Healios首席执行官Hardy Kagimoto加入进来,他正在寻求如何将iPS细胞用于治疗失明。Kagimoto也希望能合作探索实验室制造人类配子。他说,一个拥有全球临床网络的试管婴儿医疗团队对此也很有兴趣。 “一件大事情正在发生,而整个社会并不了解,” Kagimoto说,“当然不要误会我,如果我们要做,也会按照整个社会的共识来做。”

  ?

  虽然已经获得了发明专利,但迄今为止Hayashi还不愿意加入任何公司。他说去年11月,日本的风险投资家想要他开发人类卵细胞。 “我拒绝了。我拒绝是因为我做不到。技术上非常困难。“他说。 “其也并不足以对社会做出贡献。”日本的调查显示,约有30%的人能够接受实验室制造配子的想法。而那些尝试过试管婴儿技术且失败的夫妇来说,其支持率最高。

  一些投资者看到更多的可能性。如果卵细胞可以通过人类iPS细胞制造出来,那么这种无限供应也许会导致所谓“胚胎养殖”现象。Kagimoto提到了Hayashi发表论文中的一个图像。这张照片是通过显微镜拍摄的,培养液中漂浮着数十个实验室制造的小鼠卵细胞。

  在这种情况下,基因测序技术可用于检查每个胚胎,允许人们选择其中“最好的”——具有理想基因或没有精神分裂症相关不良基因的那些胚胎,。这是法律学者格里利预测的情景,如果家长有足够的资本,就会选择人工繁殖而非自然生殖。“如果你有1000个卵细胞,那么你完全可以做出选择,”Kagimoto说。

  美丽新世界

  在波士顿干细胞会议期间,学生们在门口紧张听取关于新生殖技术引发伦理问题的演讲。发言人达利引用了阿尔多斯·赫克斯利(Aldous Huxley)于1932年出版“美丽新世界”(Brave New World)一书,该书描述了一个控制繁殖和培养的集权社会。达利说道,赫克斯利描述的场景是反乌托邦的,但也是“有先见之明”。在某种程度上它预测了试管婴儿技术。

  达利认为,科学进步将使赫克斯利所描述的场景成为现实。除了日本在努力创造配子之外,一些科学家还研究出“gastruloids”——这种自我组装的细胞特征非常像人类胚胎。与此同时,研究人员正在从另一个方向改变自然发育。今年2月份,费城医生从母羊身上取出羔羊胎儿,并将其在一个充满培养液的人造子宫中继续发育。这些技术的结合表明,从受孕到分娩,所有的自然生殖过程都可以在实验室中完成。达利表示:“我们只能猜测我们要在体外完全复制个体还需要多长时间。那么问题就变成:你可以确定吗?”

  对于将iPS细胞转化为人类卵细胞和精子的技术,达利特别关注,将其称之为“颠覆性技术“。其中的重要原因之一是他认为人造配子很可能与称为CRISPR的基因编辑技术相结合,后者于四年前面世,使得编辑细胞内的DNA更为容易。

  这也将使得人类配子的制造陷入设计孩子的巨大争议中,也就是所谓的“胚系基因改造”。关于这个问题的争论在2015年被重新激起,中国科学家报告说他们在实验室的培养皿中对胚胎中使用了CRISPR方法,试图去除导致血液病β地中海贫血的相关基因。该报告最初受到学术界的广泛关注,部分原因是CRISPR并不是完美的:实验表明,胚胎可能会因基因编辑而出现缺陷,为出生的孩子造成未知且无法承受的风险。

  尽管有一些评论人士说,修改基因库是一条明确的伦理道德,不应该被忽视,但这并不是科学界的观点。美国国家科学院今年发表的一份报告得出结论,如果技术被用来消除诸如亨廷顿舞蹈病的严重疾病,编辑人体胚胎基因是允许的。虽然委员会反对使用基因工程来改造人类比如改成蓝眼睛或提高智力,但报告并没有给出可以解释的疾病定义。

  这份报告特别关注人工配子的原因在于可以在iPS细胞中精确地进行基因编辑。一旦有完美的iPS细胞在手,科学家就可以通过特定的基因改良来诱导创造配子。

  在干细胞中使用CRISPR的想法已经在小鼠身上成功进行了实施。在中国,名为李劲松的科学家编辑了小鼠干细胞,并去除了与白内障相关的基因。当他制造精子和后来的受精卵时,这些动物似乎表现出“100%有效”的基因编辑效果。这样的报告使科学家反对种系修改的最佳论据——所谓绝对不可靠或不是足够安全的说法——正在烟消云散。麻省理工学院教授,美国国家科学院报告的作者之一Richard Hynes说:“现在不可能说它不可行了。”

  巨大的需求

  在哈佛干细胞研究所,一名名为维尔纳·诺伊豪瑟(Werner Neuhausser)的试管婴儿医生正在探索基因组测序,干细胞和基因组编辑如何共同改变生殖现象。?Neuhausser每周要在波士顿试管婴儿中心(Boston IVF)花上一天时间,他在这个大型生育中心与患者会面。另外四天,他一直在核实和试图扩展日本以及世界各地的最新发现。

  作为一名试管婴儿医生,Neuhausser告诉我,他“绝对”看到了实验室制造配子的巨大需求,特别是实验室制造的卵细胞需求更大。他说:“如果可能,这将是一件大事。”

  Neuhausser和Kagimoto一样,认为胚胎有可能被衡量,并且属性会被量化:“我们将可以去除那些有心脏病和精神病风险的胚胎,然后你会如何选择?“Neuhausser认为父母可能不必这样做。相反,他说,父母可以选择通过基因编辑改良自己的生殖细胞。“你可以对未来父母的基因组进行排序,然后你可以问:‘在生育之前,你要修正哪些变体?‘这是我们没有想到的。这会有很大风险,而且还有很多情况不了解,“他说。 “短期内没有人会在病人身上使用。”

  其所在的哈佛大学实验室已经开始研究配子的基因编辑。该小组正在从携带导致肌萎缩性侧索硬化基因的男性身上获取精子,并尝试使用CRISPR去除基因突变。在实验室纠正错误之后,科学家将对精子细胞进行基因测序以查看效果。

  但Neuhausser说,更准确的做法是在iPS细胞中进行基因改造。这些细胞在实验室中生长繁殖,一旦被编辑,那么就可以创造出卵细胞或精子。 “你可以深入基因组,你可以随意改变基因组。当然这都是有争议的,“他说。 “但我们一定要研究其是否可行。”

  无论如何,这种人造配子技术并不像B.D.先生期望的那样快。他告诉我,如果使用实验室精子的治疗得到批准,他希望自己能够成为“人工配子的第一人”。但是时间不等人。他说他和他的妻子最近设定了一个期限——2019年9月——他们放弃要一个孩子的时间。

责编:李文瑶