本文来自微信公众号： 格致论道讲坛 ，作者：王红梅，原文标题：《人生有一个重要时刻，不亚于出生、结婚或死亡，它就藏在这个“黑匣子”里 | 王红梅》
它是一个黑匣子，
并且是一个极其重要的黑匣子，
所以我们想去打开它。
王红梅·中国科学院动物研究所副所长
格致论坛第124期|2026年3月21日北京
大家好，我是中国科学院动物研究所的王红梅。非常高兴能够有机会跟大家分享我们做的一些科研工作：认识生命与合成生命。
说到生命，不知道大家在繁忙的工作和学习之余，有没有想过我们是怎样发育而来的？我们的身体结构基本上是对称的，很多器官都成对儿存在，但是为什么也有单个的器官，比如：我们只有一个心脏？还有，我们都很爱吃的鸭掌脚趾是连着的，但为什么我们的5个指头都是分开的？
生命中有许多神奇之处，但有时也会发生意外。我们的生命健康可能会遭受多种重大疾病的威胁，比如：出生缺陷、遗传性疾病或者发育源性疾病等，这些疾病都严重危害人类健康。
以出生缺陷为例，每年全世界范围有数百万的新生儿受到出生缺陷困扰。这些缺陷严重影响新生儿的生活质量，有些甚至会危及他（她）们的生命。
▲图片来自网络
这些重大疾病有一个共同特征，它们或多或少都和胚胎发育异常有些关系。因此，无论是希望了解生命中奇妙的地方，还是希望破解这些疾病临床治疗的重大难题，我们都需要对人的胚胎发育过程有一个系统全面的认识。
胚胎是如何发育的？爸爸贡献了一个精子，妈妈贡献了一个卵子，精子和卵子相互识别、融合成为受精卵，就开启了生命的历程。
经过38周（临床上的妊娠是从末次月经第一天开始算，妊娠期是40周）、大约270天的历程，胚胎会发育形成一个具有约1013数量级细胞的、具有多个器官系统的生命体。
▲人胚胎发育时间轴
在这个漫长的发育过程中，如果任何一个环节出现问题，都有可能发生重大疾病。
十月怀胎，第一个月是最重要的。在第一个月里，受精卵经过卵裂，形成二细胞、四细胞，最后会发育形成囊胚。囊胚将种植到母体子宫进一步地发育。
大约在胚胎期的第14天，会发生名叫原肠运动的过程，也就是胚胎中的很多细胞会发生大规模的迁移。细胞的这种迁移和重排会让胚胎进入到原肠胚阶段，原肠胚包括外胚层、中胚层和内胚层这三个胚层。
这三个胚层再往下发育，就形成了身体里多个器官的原基，形象一点比喻，就是器官的芽儿，比如：心脏的芽等。这就是生命最初一个月中发生的关键事件。
▲原肠运动：组织器官形成的基础
接下来，这些器官芽会形成我们身体的多个器官。所以，原肠运动很重要。英国的发育生物学家路易斯·沃尔伯特曾经说过：“人一生最重要的时刻，不是出生、结婚或者死亡，而是原肠运动。”
如果我们希望研究清楚人的原肠运动到底是怎样发生的，最好的研究模型无疑是人的胚胎。
但原肠运动是在胚胎期14天之后发生的，在这么早的时候，人们通常还不知道自己已经怀孕，所以在临床上很难拿到这个时期的新鲜胚胎去进行相关研究。而辅助生殖临床上有大量冻在液氮罐里的剩余的人胚胎，不再需要这些胚胎的夫妇会把这些胚胎捐出来用于科学研究。但因为伦理原因，这些胚胎在体外的培养又不能超过14天。也就是说，在原肠运动开始之前，必须停止对人胚胎的培养。
所以，无论是体内的还是离体的，该时期的人胚胎都难以获取。因此原肠运动和早期器官发生，也就是胚胎期14到28天的这个阶段的发育事件，长期以来研究都非常少，是一个黑匣子，并且是一个很重要的黑匣子，所以我们特别想去打开它。
从猴山到Cell封面
已完成：20%//////////
既然不能用人的胚胎去研究，我们可以选择和人最接近的物种。也就是非人灵长类——猴。
▲非人灵长类胚胎是人胚胎发育的重要研究模型
说到猴，我和猴的渊源要追溯到1999年，我还是一个博士生的时候，我的课题是研究猴子怀孕时，胚胎是怎样种植到母体子宫里面去的。
当时我独自在昆明郊区的一个猴山上，目标就是要检测猴子是否已经怀孕了。为了达到这个目的，我需要每天早晨收集猴子的晨尿。
每天晚上，在猴子睡觉之前，我需要把几十个一米见方的大尿盘，摆在每个猴笼下面。
我印象特别深，天特别黑，我到猴笼里面去，但又不敢开灯，怕惊吓到猴子，所以只能摸着黑，猴子还总是发出各种尖叫，我感到非常非常害怕。
这样的日子持续了40多天，过程中我积累了丰富的研究猴子怀孕与猴子胚胎的经验。所以这个课题一想起得用猴作为实验动物，我一下子很开心，因为这正是自己擅长的领域。我们想拿猴子胚胎代替人的胚胎来进行研究，试图把猴子胚胎培养到黑匣子阶段。
但是要把体内的胚胎在体外培养很长时间是一件很难的事情。
我的学生们就像金牌月嫂一样，每天都在琢磨怎样去搭建一个接近母体子宫的环境。比如：温度如何调节，氧气浓度如何设定，营养成分又怎样选择。他们一点一点调整，大多数是失败。经过几年的努力，2018年，我和合作者的学生们终于成功地把食蟹猴的胚胎从胚胎期7天左右培养到了胚胎期20天。
我们利用这些体外培养的食蟹猕猴胚胎、结合先进的成像技术、单细胞测序技术等，解开了灵长类原肠运动早期发生的重要事件，比如：原条形成、细胞迁移、前后体轴建立等。
这个工作2019年发表在Science期刊，期刊重点介绍了我们的文章。文章发表当天，Nature期刊也报道了我们的工作，说这是到目前为止，离开子宫在体外培养灵长类胚胎最长的纪录。
看了这些对工作的评价，我们都非常高兴。学生们也很振奋，想着怎样去创造下一个纪录。
在我们的体系里，胚胎期20天后的胚胎没有办法继续发育，主要是因为培养体系是二维的，营养运输效率无法满足快速生长和发育的胚胎。如果想让胚胎发育得更远，我们得给它搭建一个更好的房子。所以我们搭建了一个三维培养体系。又经过几年努力，我们成功地把食蟹猴胚胎培养到了胚胎期25天。
▲胚胎期20-25天
有了胚胎期25天的胚胎，我们就能去研究原肠运动中期和晚期发生的重要事件。我们也能去研究早期器官发生的一些重要事件，比如：神经系统的早期发生。我们能够看到神经管的闭合，能够看到一些早期运动神经元的产生等等。这些研究都非常有趣。
这个工作发表在Cell期刊，Nature又进行了报道：“这可能是灵长类胚胎在子宫外发育的最长纪录。”特别让我们高兴的是，学生拍的胚胎的免疫荧光图像，登上了Cell期刊封面。
有了这些工作的鼓励，我们想该怎样去打开胚胎期25天之后的黑匣子。但是要打开这一段黑匣子却极其艰难，我们仍在努力之中。希望有一天我们能看到体外培养的猴胚胎产生第一次心跳，我觉得这是一件很酷的事情。
体外培养的胚胎虽然没有办法达到完全打开黑匣子的目的，但随着胚胎移植技术的进步，我们最终成功获得了体内胚胎。于是我们就用体内胚胎打开了整个黑匣子，探究了胚胎发育的一些重要事件。无论是离体培养的还是体内的猴胚胎相关研究，都对黑匣子的打开做出了一定的贡献。
▲建立黑匣子阶段的“在体模型”
批量的合成生命
已完成：50%//////////
但我希望大家一定要意识到，我们的发现只是人类在子宫里漫长发育的270天历程中，冰山一角的一角。想要打开冰山里面的秘密，需要更多科学家更长时间的探索。而且如果仅仅依赖目前非常珍贵的体内或体外的胚胎，这个数量是远远不够的。
要想去揭开冰山里更多的秘密，需要我们获得大量的胚胎。怎样才能大量地获得胚胎呢？人工胚胎技术的出现给我们提供了一个很好的抓手。
什么是人工胚胎？人工胚胎就是以自然胚胎为蓝本，在体外借助干细胞等原材料的自组装，形成的能够模拟不同发育阶段自然胚胎的人工合成生命。
▲合成生命：人工胚胎
可以想象，只要原材料足够多，在体外就可以自组装成百上千，成千上万甚至更多的人工胚胎用于研究。
现在科学家已经利用小鼠、猴或人的干细胞制备出了模拟胚胎早期发育不同阶段的人工胚胎。
▲不同物种早期发育阶段的人工胚胎
借助这些人工胚胎，科学家也发现了“冰山”里更多的秘密。
人工胚胎的作用远不止于此。大家可以想想人工胚胎的意义，它就像是手工业进入了工业时代。当我们能规模化地大量生产高度均一的人工胚胎，我们就可以用人工胚胎去建立疾病模型或者进行药物筛选，甚至当人工胚胎发育出器官芽，我们可以把这个器官芽拿出来让它在体外长成一个类器官，用于补充或替换我们身体里受损的器官。
以上这些都是人工胚胎未来潜在的应用。当前，科学家已经开始尝试利用人工胚胎去进行一些药物毒性的测试。
不知道大家是否了解沙利度胺这个故事。在上世纪五六十年代，德国研制了一种镇静类催眠药物——沙利度胺。后来被发现有显著缓解孕吐的作用。因此，很多孕吐症状的孕妇们都会去吃这个药。但是吃药后出现了严重后果，她们生出了很多没有上肢或者上肢很短小的“海豹儿”，这种严重的出生缺陷给很多家庭带来了痛苦。
人工胚胎出现之后，科学家在用小鼠和人类的人工胚胎对沙利度胺的毒性进行检测时，惊奇地发现沙利度胺在小鼠的人工胚胎上没有致畸作用，但却让人类的人工胚胎出现了形态发育异常的表现。
所以，要是六七十年前就有了人工胚胎，并且能在人工胚胎上进行沙利度胺毒性检测的话，也许就可以避免那8000多名“海豹儿”的诞生。
除了这个案例之外，人工胚胎也能用于药物的毒性评价。
想象一个长期服用治疗心脏疾病药物的女性，她想怀孕生孩子，那她可能会想：我怀孕时吃这个药会不会影响我的孩子呢？
有了人工胚胎，我们就可以拿人工胚胎去测试一下这个药物，看它对胚胎发育是不是有影响。如果没有影响，最起码吃起来的时候会稍微放心一点。
▲人工胚胎初步用于药物毒性评价
除此之外，人工胚胎也已经用于抗病毒药物毒性的评价。我们实验室最近也做了一些相关的工作。
在辅助生殖临床上，胚胎是体外制备好之后，种回到母体子宫完成后续发育的。子宫是胚胎发育的土壤。但有些女性的子宫“土壤”条件不好，就算是好胚胎也种不进去。如果这种情况反复发生三次及其以上，患者就被诊断为反复植入失败。
每个女性子宫土壤不好的原因各不一样，所以我们非常希望针对反复植入失败患者去找到个性化的药物。
于是我们设计了一种芯片，在病人知情同意下，收集病人小指甲盖大小的一块子宫内膜，把它消化成单个细胞后种到这个芯片上。这些细胞能在芯片上自组装，形成一个微型的人造子宫，然后我们再把胚胎种上去。这样就能在体外模拟反复植入失败患者胚胎种不进去的这种情况。
▲芯片上的“微型人造子宫”
接下来，我们在FDA（美国食品药品监督管理局）获批的小分子药物里，找到了1000多种可能缓解子宫土壤不好这种状况的药物。分别在子宫内膜细胞及人工胚胎在人造子宫中植入的微型体系里，进行了一个双轮筛选。
▲微型人造子宫与微型植入模型
最后我们成功地为三名反复植入失败患者找到了可能提高她们胚胎植入效率的候选药物。
▲为反复植入失败患者建立个性化治疗方案
我们的基础研究能够去解决临床上的一些重大疾病，我们都感到非常高兴。
说到人造子宫，大家对能否造一个人造子宫并在其中孕育生命非常关注，希望大家知道，270天漫长复杂的人胚胎发育过程，想在人造子宫中完全复现出来，我们离这个设想还相距甚远。
▲支撑胚胎全程发育的人造子宫
但是确实有一些科学家，为了救治超早产儿的生命，正在研发支持中晚期胎儿发育的人造子宫。我们知道，正常情况是十月怀胎，但如果是在28周之前出生的新生儿，被称为超早产儿。早出生一周，救治成本就变得更加巨大。
2017年，美国费城儿童医院用小羊做了一个初步的探索，FDA也声称，他们要把这个工作推向临床。但是到目前为止，我们并没有看到更多的报道。其实中国的科学家也在尝试去搭建人造子宫，但这些都是正在进行的一些工作。
▲临床试验仍未推进
我们不光是在地面研究生命孕育。设想如果有一天，地球不适合人类生存了，必须要移民到外太空去，我们能不能在外太空孕育生命？
随着人类在外太空停留时间越来越长，探索距离越来越远，太空环境对生命机体多个组织器官的影响的研究就愈加重要。过去两年，借助天舟八号和神舟二十一号，我们已经把小鼠和小鼠胚胎送上中国空间站，正在针对性开展胚胎发育与机体适应相关研究。
▲图左：验证哺乳动物胚胎在太空环境的体外发育能力；
图右：评估小鼠在太空环境的生存和适应能力
遵守底线，积微成著
已完成：90%//////////
最后我想强调，做科学研究一定要遵循伦理。我们做人类胚胎研究尤其要坚守伦理底线。
人类自然胚胎的体外研究，要遵循14天的伦理准则。也就是人胚胎在体外培养时间不得超过受精后14天，或不得超过原条形成这一发育节点。这是一个铁律。
▲人胚胎体外研究的“14天准则”
虽然国际干细胞研究学会（ISSCR，2021）稍微放松了这个政策，但是大家基本上还是遵循14天的准则。人工胚胎距离真正的胚胎还差得很远，但是人工胚胎也有它的伦理准则：人的人工胚胎，不能在体外无限期的培养，因为这就有体外造人的潜在风险；也不能把人的人工胚胎移回人的子宫或者其他物种子宫，因为这也有潜在的造人风险。生命科学研究必须要坚守伦理底线。
▲人的人工胚胎禁止无限期培养、禁止移植回子宫
最后，感谢我的团队和众多合作者。我也特别想和大家说：认识生命，道阻且长，积微成著；合成生命，星星之火，可以燎原。
我们特别希望科学家们共同努力，在认识生命、合成生命的道路上进一步取得更多的成绩，为提升人民生命健康水平贡献燎原之力。
谢谢大家！