探秘人造精子卵子：當皮膚細胞能變成生殖細胞

科技 08-10

讓我們稱他為B.D.吧，這是他的妻子在她的不孕不育博客Shooting Blanks上對他的稱呼。

幾年前，36歲的他得知了自己無法製造精子，這意味著他的身體根本就沒有精子。

在最近的一次電話採訪中，我可以聽到背景中傳來他妻子的聲音。

她今年35歲，現在正面臨著走向一個她描述的「無子嗣人生」的可怕倒計時。她在博客中寫道：「我的生命里不可能沒有孩子，這不可能。」

到目前為止，儘管多年來一直在服藥和維生素，並進行了一項重大手術，但B.D.的不孕不育已被證明是無法治療的。

但是，他可能仍有一線機會成為父親!

2012年，B.D.去了斯坦福大學，那裡的一名技術人員對他進行了一項皮膚穿孔手術，從他的肩膀上取下一小塊組織。憑藉一個被稱為「改編」(reprogramming)的技術，他的皮膚細胞被轉化為幹細胞，這些幹細胞有可能發育成各種類型的人體細胞。然後這些細胞被移植到老鼠的睾丸中。幹細胞會在這樣的環境中生長發育並最終形成精子嗎？兩年後，科學家們宣布他們發現了原始的人類生殖細胞的證據，這一重大發現成為了一條全國性新聞。

「我在美國公共電台上聽到了這個消息。我當時在想，『媽的，這不是在說我嗎？」B.D.回憶道。

這個實驗試圖把從成年人身上獲得的普通細胞轉化為功能健全的生殖細胞，即精子或卵細胞。目前還沒有人做到這一點，但科學家表示，他們很有可能證明這是可能的。如果他們能開發出一種技術，在實驗室里製造卵子和精子，就能終結許多人的不育問題。但這一技術進步也使人們產生了深深的不安和困擾，因為該技術可以將生命的孕育過程簡化到在實驗室中就可以完成。

「我不認為體外受精這種事情是可怕的。」我看到一群人(因為不育)而忍受痛苦。

這是關於細胞如何決定自己命運的研究的一部分。

成為一個神經元還是跳動的心臟細胞？

從卵子受精的那一刻起，新生命開始形成，一系列的生物化學信號會指導受精卵進行分裂、生長並向著不同的功能發展。研究生命發展的生物學家的第一個目標是理解每一個步驟，如果可能的話把這些步驟複製到實驗室里去。

而且，任何實驗室里培育的細胞其對於科學界和社會的影響都不會比精子和卵子更大。重新創造這些能夠使科學家了解到生命傳遞的紐帶是如何構成的。

「還有什麼比這更有趣的嗎？這真是太神奇了，」負責研究B.D.細胞的科學家Renee Reijo Pera說。「我知道一些科學家研究的是地球上的生命是如何開始的，或者是在致力於尋找宇宙的邊界的人。」但我認為這些研究都不如研究精子和卵子結合更有價值，因為後者可以製造出一個人類。並且，絕大多數時候造出的人都有兩隻胳膊和兩條腿。「這種精準度令人嘆為觀止。」

培育「生殖細胞」的進展一直在加快。在日本，科學家們通過用尾部細胞培育的卵子培育出老鼠。中國科學家後來聲稱，他們已經確定了製造老鼠精子所需的準確的分子信號序列。

到目前為止，促使幹細胞發展為具有健全功能的卵子或精子的確切生物化學公式仍然沒有被破解。尚未有成功將人體皮膚細胞轉化為生殖細胞的成功先例。但許多科學家認為，這只是時間問題，也許只要一兩年的時間他們就能找到正確的方式。最近的進展「非常明確，且令人震驚」，George Daley說，他是一名幹細胞生物學家，最近剛成為哈佛醫學院的院長。

研究人員使用CRISPR(基因編輯技術)來糾正一個導致心臟突然衰竭的胚胎基因。

因為研究對生殖過程的基本單位進行了控制，這項工作吸引了企業家、法律專家、生物倫理學家和體外受精專家的注意。

一些人認為，人工授精技術可能是自1977年人類首次嘗試試管受精以來的最大進步。數百萬人因為癌症、事故、年齡還是基因因素而無法生育。「你會覺得，如果你還有皮膚，也就是說如果你還活著，只要你這樣做之後，就可以擁有精子了，」B.D.說。

但是這項技術可能會帶來破壞性的社會後果，女性可能會不顧自己的年齡而選擇要孩子。只要有一小塊皮膚，吹一口氣，它就變成卵子了。

如果在實驗室里可以培育出卵子和精子，為什麼不培育出幾十個來，然後測試它們以選出那些患病風險最小或者是高智商的種子選手呢？作為美國最有影響力的生物倫理學思想家之一，斯坦福大學法學院成員之一的Henry Greely認為這種事情很有可能發生。

另一些人說，實驗室製造的生殖細胞有可能通過基因工程來消除疾病風險。還有更多可能的機會即將到來。例如，科學家認為，通過男性皮膚細胞製造卵子、通過女性皮膚細胞獲取精子是有可能的，儘管後者因為女性缺乏Y染色體而會更加困難。

這個過程，被稱為「性逆轉」(Sex Reversal)，理論上可以允許兩個同性的人生育後代。此外，Greely還定義了「唯一父母」這個概念：一個人使用自己的精子和卵子，自己生孩子。「這些怪異的可能性成為了對此領域最新進展報道的主要內容。」

而B.D.最近聽到的一期《社會縱覽》節目(All Things Considered，NPR電台的一檔節目)討論的則是從喬治克魯尼那裡偷一縷頭髮，然後建立起一個「好萊塢精子庫」的可能性。現任蒙大拿州立大學科研副主席的Reijo Pero認為這種猜測是有誤導性，並且有害的。「我不認為體外受精這樣的事情是可怕的。」「我看到一群人因為不育而忍受痛苦，」她說。她認為人們如果不是沒有別的辦法，是不會選擇去選擇要一個「實驗室嬰兒」的。她說：「我認為這些言論將會讓那些無法生育的人感到悲傷。」

「因為那些具有健全生殖功能的人們，他們就是這麼做的，我的想法可能幼稚，但我認為擁有一個健康孩子的方法仍然是兩個人聚在一起，並且要一同享受晚餐和紅酒。」她說。

為細胞重新編程

在上世紀90年代做博士後研究員時，Reijo Pera幫助確定了導致男性精子完全流失的基因。一個名為DAZ的導致精子流失的基因特別有趣，因為它只存在於靈長類動物中。這意味著除了我們的手指和智力之外，我們在繁殖上也擁有一些獨一無二的特性。

科學家們面臨的問題是，這些細節中有很多都是隱藏在視線之外的。科學家們被允許在實驗室里培育胚胎14天，以對其進行研究。在這之後會有一個關鍵時期，這一時期中胚胎的一小部分細胞(大約40個)開始了其向「生殖脊」的發展，它們會逐步發育成卵巢或睾丸。在這段旅程中，生殖細胞獲得了形成一個新生命的能力，而這一過程的機理仍未被揭開。

對於探索這一過程，Reijo Pero也受到一些私人情感的影響。

在她職業生涯的早期，她被診斷出患有卵巢癌，這是一種罕見的顆粒狀細胞瘤。這種疾病使她無法生育。人們會說，「哦沒事兒，領養也很容易，還有其他選項。」她說，「我開始擔心，在醫療保健方面，不孕不育這個問題會變得不那麼受重視。」

她和她的丈夫最終決定收養一個瓜地馬拉的孩子。

2006年，她正在學習西班牙語，並告訴將她評選為美國20位最有影響力女性的《新聞周刊》，她將做媽媽了。但瓜地馬拉後來不再允許外國人收養孩子，那時她已經49歲了。「所以我們決定，我們要創造一個生命。我們倆，還有一隻叫Boo的狗，」「這就是我們所做的。」她說。

儘管放棄了做母親，但她並沒有擱置這個科學問題。相反，她抓住了可能是不育症的最終解決方案。

2006年，一位名叫Shinya Yamanaka的日本科學家報告說，他想出了一個公式，可以把包括皮膚和血細胞在內的任何成年細胞都轉化成所謂的誘導多能幹細胞。

這些簡稱為iPS的細胞存在著類似分子記憶缺失的癥狀。就像在新形成的人類胚胎中發現的細胞一樣，它們沒有固定的身份，但能夠變成骨骼、脂肪或身體的任何其他部位的組織。

事實證明，這項技術非常簡單易用。有人把它比作一堵生物柏林牆的倒塌。

僅僅六年之後，Yamanaka迅速獲得了諾貝爾獎。一邊發展對於iPS細胞的研究，他還解決了一場道德爭端。他找到了一種可以不把胚胎放入試管中受精，就能探索人類發展早期階段的方法。更重要的是，iPS細胞來自於特定的人。這意味著產生的細胞將與病人精確匹配。科學家們開始討論如何製造「個性化」的神經元或心臟細胞來進行移植手術。

Reijo Pero是那些懂得基因同質化幹細胞對於繁殖過程重要性的人之一。不然還能怎樣通過皮膚細胞得到一個生物學上有血緣關係的孩子呢？然而儘管使用Yamanaka的方法去重新塑造細胞是如此的直白，但讓這些細胞按照既定軌跡發育被證明是充滿挑戰的。科學家們仍然不知道是什麼樣的化學物質促使了一個細胞發育成一個神經元，而不是腳趾甲的一部分。

引導細胞生長所需的準確的物質構成和其發展的步驟已經成為生物學上最令人頭疼的謎題。

今年6月，3900名發展生物學家、生物技術高管和醫生聚集在波士頓的大型會議中心，參加第15屆國際幹細胞研究學會年會。Yamanaka出席了此次會議，他身後跟著日本電視台的工作人員。很多與會的科學家都在致力於創造特定類型的細胞。其中一位哈佛大學的教授說，他花了十多年時間來確定如何將幹細胞轉化成胰腺細胞，這種細胞會對胰島素做出反應，他最終在2014年成功做到了這一點。他有兩個患有糖尿病的孩子，他希望最終通過細胞移植治癒他們。「我們想要完全掌控細胞的發展，」Meloton在大會上對與會者說。

生命的「配方」

在會議期間，我追蹤了兩名日本科學家。去年11月報道稱他們已經把老鼠尾細胞變成了iPS細胞，然後變成了雞蛋。這是一個值得注意開拓，人類歷史上第一次在動物體外創造了人工卵子。他們用合成的卵子培育出了8隻幼鼠。這些老鼠不僅健康，而且還能繼續繁殖。這一發現花了五年多的時間才完成，並在自然雜誌上發表了一篇17頁的研究報告。

Yamanaka把Saitou稱為「天才」。

這兩名科學家現在的目標讓人類的生殖細胞能夠以同樣的方式繁殖。Saitou告訴我，Yamanaka親自引導他，告訴他如何生成人類的生殖細胞。「他親自問我。」他認為我們應該這樣做，因為這是非常有趣的科學研究，」他說。「我們真的很想知道為什麼這些細胞可以成為一個新的個體。」

這是控制細胞命運的終極方式。

由Yamanaka領導的團隊一直在為證明「iPS細胞」的實際用處而努力工作：從日本獲得諾貝爾獎的發現中創造出治療方法已經成為全國性的重要任務。2014年，日本的研究人員對iPS生成的細胞進行了首次測試，用於治療失明。但Saitou表示人工培育生殖細胞尚未被列入議程。「它不僅僅是在我們的任務列表中優先順序較低，而是它跟本部在我們的任務列表上。」「它甚至不能與替代細胞療法相比。」他說。「我認為很難用體外培養的生殖細胞製造出人類。」但也不是不可能。

這不僅僅是技術上的困難：對於一些道德上問題，他也感到緊張。他收到了很多不孕夫婦的來信。然而，在日本，目前的研究指導方針禁止科學家嘗試使用這種細胞來製造胚胎。日本內閣正在考慮是否要放鬆管控。

技術上的障礙可能會在法律問題解決之前被克服。這是因為現在已經存在著一場為了完善製造人類卵子的實驗室方法而進行的競賽，這讓Saitou感到十分不安。Saitou承認他現在和自己以前的導師——劍橋大學的Azim Surani在進行一場「不那麼愉快的」競爭，他們都想做第一個在此領域有所突破的研究團隊。他以前的學生、現在在九州大學的Hayashi也參加了比賽。如果他們中的任何一個取得了成功，那麼其他的研究人員可能就會毫不猶豫地將這項成果應用於體外受精中。

當我問詢問較年輕的日本科學家Hayashi還要多久我們才能掌握製造人類生殖細胞時，他的回答是10-20年。「這是最困難的一個問題，因為我正在做實驗，而且這些實驗做起來並不容易。」他說：「我不想騙你說只要五年。因為五年之後(如果做不到)，有人可能會怪我。」

科學家們已經可以誘導iPS細胞形成原始的生殖細胞，就像用B.D.的組織在老鼠體內培育的一樣。目前還沒有解決的是，如何將這些細胞轉化為正常的精子或卵子。在人類中，這一過程直到青春期才完全結束。

通過老鼠， Saitou和Hayashi使用模擬卵巢來誘導iPS細胞，這些卵巢是通過小鼠胚胎的組織培育的。用人類胚胎細胞製作這樣的培育箱是不切實際的，因為這些胚胎本身很難獲得。相反，他相信，他還需要從iPS細胞中製造出支持性組織。這一額外的挑戰可能會延長實驗時間。

如果真的能製造人類的卵子或精子，科學家們就會遇到另一個障礙。這是因為要證明這些細胞真實性的唯一的方法就是創造一個人類嬰兒。現在，這是日本科學家不願意或者說還沒準備好考慮的一個步驟。

相反，為了這最後一步，Hayashi和Saitou也在猴子身上做實驗。根據Hayashi的說法，猴子與人類有很多相似點，它們可以被用來證明這一技術是否「對於靈長類動物是安全的」。

「我們需要證明的是，我們可以培育優質卵子。」「我們需要用新生命來證明這一點。」他說。

胚胎培育

商業利益開始在科學家周圍打轉。在我與Hayashi的談話中，我們和一個叫做Healios的日本生物科技公司的首席執行官Hardy Kagimoto進行了對話，該公司正尋求將iPS細胞轉化為一種治療失明的方法。此外，Kagimoto還希望與Hayashi合作研究在實驗室製造人類生殖細胞。他說，一個國際性的試管受精醫生網路也對此很有興趣。「目前正在發生一件重要的事情，但社會還沒有意識到這一點，」他說。「不要誤會我的意思——我們會在達成社會共識的基礎上再繼續。」

儘管他已經為自己的發明申請了專利，但迄今為止，Hayashi還不願意加入任何公司。他說，去年11月，日本的風險投資家請他製作人類卵子。我拒絕了。我拒絕了，因為我現在還不能做。這主要是因為這在技術上還很困難，」他說。「但也因為這對社會會做出何種貢獻上沒有定論。」日本的調查顯示，大約30%的人接受了實驗室中培育嬰兒的想法。但那些嘗試過試管受精但失敗的夫婦最為支持這一想法。

一些投資者看到了更廣泛的可能性。如果卵子可以由人類的iPS細胞製造，那麼它的供應將是無限的，可能會導致所謂的「胚胎培育」。Kagimoto指向了一張Hayashi著作中的圖片。這張照片是用顯微鏡拍攝的，圖中是一滴水中漂浮的幾十個實驗室培育的老鼠卵子。

在這種情況下，基因測序可以被用來檢查每一個胚胎，讓人們可以選擇出「最好」的——那些擁有理想基因的，或者那些沒有不良基因的，不良基因指例如那些具有精神分裂症風險的基因。這是法律學者Greely預測的情景。他認為，如果父母們能夠從中獲益，他們就會選擇人工繁殖而不是有性繁殖。「如果你有1,000個卵子，那你就可以做出選擇了，」他說。

勇敢的新世界

在波士頓幹細胞會議上，學生們站在門口聽著有關新的生殖技術帶來的倫理問題的演講。Daley 在演講台上，提到了奧爾德斯·赫胥黎1932年出版的《勇敢新世界》一書，書中描述了一個控制生育、在集中化設施中孵化兒童的社會。戴利說赫胥黎描繪的場景是反烏托邦的，但也是「有先見之明的」。它預示了試管受精技術。

「我們只需要推測，我們還需要多久就能做到完全地宮外培育。」所以問題就變成了：你能畫出一條界線嗎？

戴利認為，科學進步使「赫胥黎所描述的圖景成為現實。除了日本努力研究製造人造生殖細胞，一些科學家還創造了gastruloids——一種自我生成的細胞組織，它們的外觀和行為方式都與人類胚胎非常相似。

與此同時，研究人員正從另一個方向對大自然施壓。今年2月，費城的醫生們將胎兒的羊羔從他們的母親體內取出，並讓它們在一個透明液囊內一直存活到出生，該囊袋被稱為人工子宮。這些技術的結合表明，從受孕到出生的整個繁殖過程都可以在實驗室完成。戴利說：「人們需要預測的是在我們能完全從母體外創造生命之前還需要多長時間。」

「所以問題就變成了：你能畫出界限嗎？」

戴利特別關注的是將iPS細胞轉化為卵子和精子的研究進展，他將此稱之為「一種顛覆性的技術」。其中一個原因是，他認為人工生殖細胞技術很可能與名為CRISPR的基因編輯技術相結合。CRISPR是在四年前開發的，它使得在活細胞內改變DNA變得更加容易。

這將人工生殖細胞技術與「設計嬰兒」的爭論聯繫起來，即所謂的「生殖系基因改造」技術。關於這個問題的爭論在2015年重新被點燃，此前中國科學家報告稱，他們曾在實驗室的培養皿中使用CRISPR，試圖去除導致血液疾病地中海貧血的基因。該報告最初受到密切關注，部分原因是CRISPR並能保證萬無一失：實驗表明，胚胎可能被不完美地編輯過，這將給一次辦法培養的嬰兒帶來未知的風險。

雖然一些批評人士認為修改基因池是一條不應該被跨越的倫理界限，但這並不是科學界的觀點 (參見「製造完美嬰兒」)。

美國國家科學院今年發布的一份報告得出結論稱，如果是使用這種技術來消除嚴重的疾病，如亨廷頓氏舞蹈症，那麼編輯人類胚胎應該是可以被允許的。

儘管該委員會的確反對使用基因工程來進行純粹的改進——比如獲得藍色眼睛和更好的智力——但報告卻沒有解釋是否可以用此技術對抗疾病。

科學家們正在研究如何編輯未來孩子的DNA。他們應該在一切都太遲之前就停下來嗎？

該報告特別關注人工生成生殖細胞的原因是，在iPS細胞中進行的編輯可能是非常精確的。一旦有了完美的iPS細胞，它們就可以被誘導去創造帶有特定基因改良的生殖細胞。

在幹細胞中使用CRISPR的想法已經在老鼠身上取得了成功。在中國，一位名叫Jinsong Li的科學家編輯了老鼠幹細胞並移除導致白內障的基因。當他製造出了精子和之後用此進行了受精後，產生了被編輯過的生物幼體，這一過程的效率非常高。這樣結果讓科學家們有理由認為，作為反對轉基因技術的主要理由——該技術永遠不會變得可靠，也不安全——正在訊速失去根基。

麻省理工學院教授、美國國家科學院報告的兩位資深作者之一的Richard Hynes說：「現在不可能再說這是不可行的了。」

巨大的需求

在哈佛幹細胞研究所，一位名叫Werner Neuhausser的試管嬰兒醫生、科學家正在探索基因組測序、幹細胞和基因組編輯如何能夠共同作用以改變繁殖過程。在波士頓的一個大型生育中心裡，他每周花一天時間與病人見面。他每周花四天時間來驗證並嘗試延續在日本和其他地方收穫的科研成果。

作為一名試管嬰兒醫生，他告訴我，他「絕對」看到了對實驗室製造的精子的需求，而卵子的需求更大。「如果這成為可能，這將是一個大事件，」他說。

和Kagimoto一樣，Neuhausser相信胚胎將會被測量並量化其屬性：「我們將使所有相比於正常人群具有更高心臟病或者精神疾病可能性的胚胎得到修正，面對這樣的事實，你會做出何種選擇？」

但他認為父母可能不必做出選擇。相反，他說，父母可以選擇改良自己的生殖細胞。你可以對未來父母的基因組進行排序，然後你可以問：「在你生育之前，你能改良哪些不利因素？」這是我們從未仔細想過的。這將很大程度上取決於風險，而且還有很多我們不知道的事情。」「沒人想在短期內把它用到病人身上。」

他在哈佛大學的實驗室里已經開始研究生殖細胞的基因編輯工作。該團隊正在從攜帶有導致肌萎縮性脊髓側索硬化症基因的男性身上獲取精子，這是一種破壞性的神經系統疾病，該團隊計劃使用CRISPR來消除這種突變。

在他的實驗室糾正這個錯誤之後，它將對精細胞進行排序，以觀察結果。

但他表示，更精確的方法將是在iPS細胞中進行基因改造。這些細胞在實驗室里大量繁殖和繁殖。一旦它們被編輯過，就可以從它們身上創造出卵子或精子。

「你可以獲得基因組;你可以隨意改變基因組。」「當然，這是有爭議的，」他說。「但我們絕對應該研究它是否會奏效。」

對於像B.D.這樣的男人來說，這種製造生殖細胞的技術是他們迫切需要的。

他告訴我，一旦可以使用這一技術幫助生育，他將成為「第一個候選人」。