用機器“孵小孩”,能實現嗎?

2021年07月07日11:39

  來源:我是科學家iScientist

  人類生育力下降,已經成為越來越嚴重的社會問題。不孕不育症影響著全球數以百萬計的育齡人,據世界衛生組織估算,全球共有4800萬對夫婦和1.86億人患不孕不育症。

  輔助生殖技術、人工授精和體外受精-胚胎移植無疑能幫助很多家庭迎來盼望已久的新成員,但輔助生殖技術並不能解決所有問題,對於那些沒有合適的生理條件去孕育胎兒的人群,無疑需要新的醫療技術來給他們希望。

  你或許已經想到了科幻設定中的人造子宮,沒錯,如果有了成熟的體外孕育生命的技術,就能幫助更多的家庭擁有自己的孩子。

  ……那些卵子一個挨一個地從試管里被轉移到更大的容器里,他們靈巧地將腹膜的襯裡裁開,放入桑葚胚,灌入生理鹽水……

  ——摘自阿道司·赫胥黎的反烏托邦小說《美麗新世界》

  代達羅斯,或科學與未來?

  其實“人造子宮”並不是一個新鮮的詞彙,早在百年前,它就作為一個超越了時代綱常的前衛概念誕生在劍橋大學的校園里。

  那是1923年2月4日,“異教徒討論俱樂部”(Heretics Discussion Club,當時活躍於劍橋地區的一個不信仰基督教或任何宗教的知識分子團體)的活躍成員、英國生理學家和哲學家約翰·斯科特·霍爾丹(John Scott Haldane)做了一場令人印象深刻的演講《代達羅斯,或科學與未來》。他虛構了一封150年後一名本科生寫給導師的信,描述了1951年的兩位科學家杜邦和施瓦茨從一名死去的女子體內取出卵巢,並在液體中保存了長達二十年。在這期間,這顆卵巢每個月都會產生新鮮的卵子,其中90%都可以受精並以“體外發育”(ectogenesis)的方式成長為足月的嬰兒。不僅如此,通過這封來自未來的信,霍爾丹還大膽預測了在2073年,僅有30%的孩子來自母親的子宮[2] 。

  你可以想像這場演講在那個時代掀起的是怎樣的巨浪,但顯然,當年技術與倫理的雙重限製並未讓霍爾丹的“預言”成真,哪怕到了1954年,伊曼紐爾·格林伯格 (Emanuel M。 Greenberg) 為人造子宮的設計所申請的專利也僅是一個粗糙的設想。

格林伯格的設計包括一個用來放置充滿羊水的胎兒的水箱、一個連接到臍帶的機器、血泵、一個人造腎臟和一個熱水器
格林伯格的設計包括一個用來放置充滿羊水的胎兒的水箱、一個連接到臍帶的機器、血泵、一個人造腎臟和一個熱水器

  為早產兒準備的“溫床”

  人造子宮作為一個頗具爭議的話題在二十世紀中晚期被反複提及與討論,其支援者們的終極目標雖然考慮的是實現在體外將受精卵培養至發育成熟,但從醫學角度出發,利用人造子宮提高早產兒的生存率更加容易實現。

  早期數據表明,不到23周的早產兒生存的可能性幾乎為零,雖然24周的存活率為55%,但是對於23周的寶寶們來說,存活率僅有23%。

  那麼人造子宮是否有機會拯救這些將要提前夭折的寶寶呢?

  1987年,關注早產兒生存問題的日本順天堂大學教授桑原義典(Yoshinori Kuwabara)開發了一種稱為EUFI(Extrauterine Fetal Incubation System)的系統,即宮外胎兒孵化。

  通過創造與母山羊體內相似的人造羊水環境,桑原義典的團隊讓發育到17周的山羊胎兒在體外成活了165小時零五分鐘。在後續的實驗中,桑原的團隊將培養時間成功延長至三週直到山羊足月,但因為山羊胎兒在扭動和踢腿時往往會夾住或拉出導管,因此桑原用肌肉鬆弛劑使它們癱瘓。鬆弛劑的弊端是讓胎兒無法在沒有幫助的情況下站立或呼吸,因此,當研究人員在 4 周後移除呼吸機時,山羊就在數小時內死亡。

桑原設計的系統中,山羊胎兒被人造羊水包圍在橡膠環境中,並與體外膜氧合器相連,血液從臍動脈排出並返回臍靜脈,灌注的血液通過 O2、N2 和 CO2 氣體的混合物進行再循環
桑原設計的系統中,山羊胎兒被人造羊水包圍在橡膠環境中,並與體外膜氧合器相連,血液從臍動脈排出並返回臍靜脈,灌注的血液通過 O2、N2 和 CO2 氣體的混合物進行再循環

  到了2017年,費城兒童醫院的阿南·弗雷克(Alan Flake)成功將發育到中期(115 至 120 天,相當於人類妊娠週期22-24 周)的山羊胎兒在“人造子宮”中維持了4周,讓小羊幸運的長到了能離開羊水環境使用普通呼吸機生存的月齡,對於胎齡更小的羊(105 至 108天),弗雷克同樣將其在體外成功培育了4周(最終因動物協議的限製而停止)。

  順帶一提,雖然人造子宮尚未應用到早產兒的臨床看護,但根據2010年的數據,隨著醫療水平的提高,低於23周的早產兒生存率已升高至15%,相信未來這一數字還將繼續上升。

弗雷克設計的系統中,山羊胎兒被人造羊水包圍在聚乙烯薄膜袋中,通過臍帶接口連接氣體交換系統,形成封閉的流體人造環境
弗雷克設計的系統中,山羊胎兒被人造羊水包圍在聚乙烯薄膜袋中,通過臍帶接口連接氣體交換系統,形成封閉的流體人造環境
小羊在人造子宮中呼吸
小羊在人造子宮中呼吸

  完整地孕育生命——用細胞還是用機械造子宮?

  1987到2017,三十年間,小羊們的命運讓我們看到了人造子宮挽救早產兒生命的曙光,科學的腳步仍在前進。

  在眾多科學家出於倫理考慮傾向於僅用人造子宮幫助早產兒時,少數人依舊相信可以完全依託人造子宮孕育生命,其中就有美國康奈爾大學生殖醫學和不育症研究中心的負責人劉洪清博士。

  與之前依託機械的模式完全不同,劉洪清所做的是在體外重新構建出“子宮”這個器官。自2001年起[8],她就開始在實驗室培養組織子宮內膜。她在植入前將受精的人類卵子與子宮內膜細胞一起培養,使子宮內膜細胞首先在不到1釐米寬的塑料井中的膠原蛋白基質中生長,讓細胞形成類似於子宮內膜組織的多層栓塞。

  最終築造出一個由膠原質和軟骨素構成可以被生物分解的子宮形狀的支架,然後在上面“播種”子宮內膜細胞,當穩定後將用作支架的物質分解掉,就順利的構建了三維的“人造子宮”。

  2003年,劉洪清的團隊讓小鼠胚胎順利地在人造子宮中著床並且幾乎走完了發育全程,劉洪清這樣描述:“它動了。它呼吸了。它冒泡了。而且不僅僅是一個泡沫,我們看到了泡沫、泡沫、泡沫。”。

  但囿於“14天規則”(科學家只能在不滿14天的胚胎上進行實驗)的倫理限製,在後續的實驗中,她僅將人類胚胎培育到了第10天。

  不過同樣因為倫理限製,劉洪清並未正式公開她的實驗數據。

  雖然劉洪清並未公佈她的數據,但在今年3月17日,以色列魏茨曼科學研究所的雅各布·漢納(Jacob Hanna)團隊在自然雜誌上發表了他們的研究,漢納的團隊將5天大的原腸胚前的小鼠胚胎在體外機械胚胎中成功培育到了第11天(超過小鼠胚胎發育週期的一半),使其順利地長出了心臟、頭部和四肢。

 漢納團隊設計“全機械”人造子宮
 漢納團隊設計“全機械”人造子宮
漢納團隊設計“全機械”人造子宮
漢納團隊設計“全機械”人造子宮

  就在2021年的5月26日,國際幹細胞研究學會(ISSCR)表示將放寬科學家培養人類胚胎的時間,但這未必意味著“機器生娃”時代來臨,更可能是為了理解人類胚胎的發育,而在倫理允許的範圍內給出更大的研究空間。

  人造子宮如果使用得當,可以拯救無數早產兒,讓他們健康成長。但技術的使用不當,也可能引發種種不可預期的社會問題。技術的進步,應當始終服務於人類的福祉。我們還需要更多的時間進行倫理學上的思考及辯論。

  在非洲一些地區,孕婦的生產環境十分惡劣,在戰火中為產婦保駕護航,成了助產士們最大的夢想。

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