纵观人类医学发展史 ， 过去以被动的医疗方式为主 ， 而再生医学代表着未来医疗的发展方向 。 脊髓损伤的病人肌肉无法受到控制 ， 这种类型的疾病不仅难以治愈 ， 而且严重影响生活质量 。 通过种子细胞 ， 可能让病人重获神经和肌肉收缩的能力 。 什么是干细胞技术？细胞是如何发育的？胚胎发育又有哪些规律？再生医学距离我们还有多远？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中科院广州生物医药与健康研究院彭广敦演讲实录：
大家下午好！我叫彭广敦 ， 来自中科院广州生物医药研究院 ， 我主要从事生物医学研究 ， 今天我就邀请大家与我一起来聆听胚胎发育这一场音乐会 。
随着人口健康的改善 ， 我们身边有很多人碰到各种各样的健康问题 ， 包括癌症发生率的上升 ， 各种各样老年退行性疾病 ， 比如说阿尔茨海默症 ， 以及帕金森、亨廷顿症等等 。
同时也存在其他重要的医学需求 ， 比如说器官移植的缺乏 ， 生育上的一些困难的问题 ， 那么这些都需要我们现代提出一种新的医学手段 。
再生医学的发展
纵观人类医学发展史 ， 我们可以看到 ， 过去主要是一种被动的医疗方式 ， 比如 ， 我们身体某个部分出现了疾病 ， 需要治疗的时候 ， 我们需要去医院开药或者做一些手术方面的检查 。
在未来 ， 科学家在实验室里就思考这样一个问题 ， 我们能不能化被动为主动？
在实验室里就可以把人体所需要的各种功能细胞生产出来 ， 在需要的时候 ， 我们直接进行更换 ， 这叫做再生医学的治疗方式 。
再生医学代表着未来的医疗发展方向 ， 一个非常重要的基础技术就是干细胞技术 。
干细胞具有非常神奇的能力 ， 它可以在实验室里培养 ， 不断地增殖 ， 可以分化为我们人体中所需要的各种功能性细胞 。
应用这些干细胞分化出来的功能细胞就有可能为我们各种身体的故障进行一些更换和替换 。
但是 ， 科学家研究这么多年 ， 发现再生医学很重要的瓶颈在于我们对功能细胞的认识非常少 ， 如何能获得这些种子细胞？
如何使获得到的种子细胞在实验室里进行培养以后 ， 它仍然与我们身体内的细胞非常地相似 ， 能够替换身体内的细胞功能？这就是我们极其想了解和回答的问题 。
我们都知道 ， 要想更好地使用汽车 ， 我们需要经常把车开到4S店进行维修和保养 ， 会对汽车里面的各个零件进行检查 ， 如果有损坏 ， 我们要更换 。
再生医学一样提供这样的模式 ， 我们是否在未来身体某些地方 ， 可以有现成的产品供我们进行直接的更换呢？
拿汽车4S店这个例子做对比 ， 汽车更换、维修在于每一辆汽车在制造的时候 ， 都有一张对应汽车每个部件和零部件的图纸 ， 有了这张图纸 ， 工程师就可以很容易对汽车各种各样的操作 。
那么对于细胞的功能图纸 ， 仍然还很缺少 ， 这也就是我们希望了解的细胞制造的使用说明书 。
虽然在实验室里可以对细胞做很多的功能的一些研究和开发 ， 但是我们对它所认识的知识仍然非常有限 。
细胞发育过程
发育生物学实际上是进化做了上亿年的实验 ， 它能够准确严谨把每一个细胞告诉我们它在什么地方产生、什么时候产生 。
拿这张图为例 ， 左边就是胚胎中的发育过程 ， 对这个过程进行详细的研究 ， 可以帮助我们在实验室里获得这些类型的细胞 。
进而我们可以用这些细胞进行药物的筛选 ， 或者是药物评估 ， 也可以用于移植和功能上的一个再造 。
从这个过程 ， 我们也可以很容易的体会到 ， 发育是整个生命过程中一个最基本的过程 。
发育揭示了细胞命运变化中最核心的规律 ， 我们以发育的过程进行对比 ， 疾病、衰老的各种状态 ， 可能都是在这条路走上了一个岔路 ， 或者是走向了一条充满了艰辛和荆棘的道路 。
研究发育过程 ， 对整个生命健康的提示有非常重要的意义 。
整个胚胎发育的过程 ， 人体中所有的细胞都来自于胚胎受精时最早的一个细胞 ， 我们叫它受精卵 。
它经过2细胞、4细胞、8细胞、16细胞这种逐级的分裂 ， 形成了一个细胞团 ， 叫囊胚 。 然后在胚胎的母体 ， 子宫进入着床之后 ， 它进入一个快速的细胞增殖和繁殖的过程 。
如果我们把胚胎的发育过程当作一首美妙的音乐 ， 仔细聆听 ， 可以看到在胚胎受精这一刻是有一个惊心动魄的巨响 ， 然后在2细胞、4细胞不断分裂中 ， 又是一首舒缓的音乐 。
在胚胎发育的特定阶段 ， 我们又可以听到紧锣密鼓的 ， 非常紧张的 ， 有不同乐器加入进来 ， 所以它是一个旋律异常美妙的协奏曲 。
我们人体所有的细胞将近有50万亿个 ， 也有几百种类型 ， 它们都来自胚胎早期的一个受精卵 。
这样的一个过程 ， 同样包含了丰富的时间和空间的信息 ， 这么高容量的时间和空间的信息 ， 如何折叠进单个细胞 ， 然后在发育过程中又逐渐展开呢？这就是我想回答的问题 。
胚胎发育中的编码规律
我在美国受到生物计算学训练之后 ， 一直想解开胚胎发育中时间和空间的编码规律 。
在早期胚胎发育中 ， 有一个非常重要的时刻 ， 我们叫它原肠运动 ， 通过这个运动 ， 使人体所有细胞最终走向一个特定的命运 。
但是这个时期就有一个非常重要的事件发生 ， 这些细胞分布在胚胎不同的位置 ， 这些位置会产生相应的特定功能 。
比如说我们的皮肤、大脑都有外胚层来源 ， 而我们的消化系统、肝脏、小肠这些器官又都是来自于内胚层 ， 在胚胎特定的时期里面 ， 他们沿着胚胎中不同的区域进行分布 。
就好比我们在做建筑工地的时候 ， 已经画好了一张蓝图 ， 工人就沿着这张蓝图进行不断的施工 ， 所以在胚胎发育的早期时段就有这样一个蓝图存在 ， 以后各个细胞的命运走向都依照这个蓝图进一步来完善和进行 。
上世纪80年代 ， 有一位著名的发育生物学家提到这样一句话 ， 他说“人一生中最重要的不是你的出生 ， 也不是结婚 ， 甚至也不是死亡 ， 而是胚胎发育中最重要的原肠运动的时期” 。
为了研究这些胚胎原肠运动 ， 实际上在人体的胚胎里面是不现实的 ， 我们也无法获得相应的研究材料 。
我们就把目光放在小鼠 ， 小鼠与人的胚胎发育非常的相似 ， 很多地方有可以对比的地方 ， 虽然它的时间更加短促 。
如何来理解在空间上建立蓝图的信息呢？有些朋友可能看过《三体》 ， 它是从一个高维度的文明向低维度文明发动进攻的过程 。
在这里面 ， 我们为了获得空间信息 ， 把三维的空间信息进行了降维 ， 在二维的层面获得空间信息再进一步重构 。
这就是我们对胚胎进行三维重构的过程 ， 胚胎被我们逐层切割 ， 依次重建 ， 这样就可以获得胚胎所有的空间位置组成的信息 。
这实际上就给我们戴了一个3D眼镜 ， 我们可以看到胚胎在空间上具体的不同位置 ， 有非常逼真的信息 。
有了这样的切片和三维重建是不是就能满足我们研究这些空间特定的细胞发育命运呢？那是远远不够的 。
我们知道胚胎在这个时期只有300个微米 ， 甚至比一根头发丝还小 。 所以 ， 我们一定要结合各种更高精密的技术方法组合起来 。
在这里 ， 我用了激光+高（精度）显微镜以及单细胞测序 ， 在胚胎的每一个侧面对它进行激光显微切割 ， 然后获得这些特定区域的细胞表达信息的重构 。
通过这种重构 ， 我们能够把特定的表达模式在整个胚胎上的区域能够明晰地反映出来 。
有了这样的表达模式是不是能够揭示胚胎发育中非常惊心动魄的故事呢？
我们刚才也知道 ， 我们只对一个时期进行了重构 ， 就好比我们在发育的过程拍了一张照片 。
所以 ， 为了获得整个动态的过程 ， 我们需要拍更多的照片 ， 把这些照片串在一起就形成了一个动画的故事 。
在这个研究中 ， 我们进一步把胚胎在不同的发育时期的信息收集起来 ， 同时与空间的信息结合在一起 ， 这样我们就有了胚胎早期发育中 ， 一个非常优美的故事 。
我们也可以看到细胞成长的过程 ， 它就好比一个音乐会 ， 不同的乐器在中间过程中发出不同的声音 ， 然后有一首完美的曲子在后面 ， 来揭示这些细胞命运的过程 。
我们看到左边 ， 这是一个特定的基因 ， 它在胚胎表达上的分布位置 ， 下面可以看到它在时间不同的区域变化模式 。
有了时间和空间变化图 ， 我们就可以清晰追踪这些细胞从哪里来 ， 然后经历了怎样的一个历程 ， 然后它们又去向哪里 ， 它们最终又会发育成怎样的命运 。
这个工作对我们有什么借鉴意义呢？
我们对干细胞的再生能力 ， 实际上 ， 实验室科学家有一个充分的认识 ， 干细胞好比在山顶上的一个雪峰的流水 ， 它会沿着山谷 ， 朝向不同的细胞进行流动 。
正常情况下 ， 可能只有几条山谷可以供细胞流向一个特定的位置 。
那么在我们的研究中 ， 就揭示了新的细胞流向路径 ， 可以帮助我们充分地认识这些细胞的功能 ， 进而对这些细胞的功能进行一个体外的应用 。
这里面我举一些 ， 我们实验室已经在做的一些例子 。
可能大家都知道 ， 在工地 ， 或者是一些特殊意外中会发生脊髓的损伤 ， 脊髓损伤的病人肌肉无法受到控制 ， 他可能需要坐轮椅或者是瘫痪在床上 。
【再生医学|在未来，再生医学能够对我们身体“零件”进行直接的更换？】目前对这种类型的疾病还是非常难以治愈的 ， 也非常影响病人的生活质量 。
在前面对细胞命运的时间和空间的绘制中 ， 我们发现新型的细胞类型 ， 它在时间和空间协奏曲里面 ， 同时发出了神经和肌肉的声音 。
所以我们就猜测 ， 这种新型的细胞可能可以作为一种非常有用 ， 用于再生医学新的细胞种子 。
利用我们在时间和空间细胞命运特征的一种详细分析 ， 我们就获得了细胞它在体外进行培养的最佳条件 。
可以看到这些细胞在自发地进行跳动 ， 在这过程中它已经获得了神经和肌肉收缩的能力 。
它究竟有没有用处呢？我们就把这个细胞在小鼠上做了一个移植的分析 。
这是一只小鼠 ， 它做了一个损伤 ， 如果对它不进行任何的处理 ， 它就瘫痪在这里 ， 没法行动 。
获得新型种子细胞之后 ， 我们把我们实验室培养的细胞注入到小鼠损伤的部位 ， 我们可以看到这个小鼠再次获得了行动的能力 。
虽然它在笼子里行动仍然是不稳的 ， 但是它相比没有做细胞移植的小鼠表现出了非常强的运动能力 ， 而且基本上不再影响它主要的行为 。
右边这里是它行动的一个轨迹 ， 我们可以清晰地画出在这个区域内自由的活动 。
所以说通过这些细胞时间、空间的一个转换规律认识 ， 有可能为我们提供新型细胞的制造手册 ， 运用这个细胞手册制造出来的细胞 ， 有可能在将来再生医学上获得美好的应用 。
这样的话 ， 我们的研究工作通过这个协奏曲中 ， 各个角色的一个认识 ， 我们就能够完成这样一个我们未来的一个梦想 。
通过我们了解发育中的机制 ， 进而我们来认识这些细胞它具有的功能和再生的基础 ， 同时我们在实验室可以利用这些再生和发育的基础来对这些细胞进行工程化的处理 。
可以想象 ， 在未来 ， 我们可以把身体中所需要的各种功能细胞都在实验室里储备起来 。
那么我们在需要的时候 ， 我们可以把这些细胞拿出来进行一个替换 ， 是不是就可以解决很多的问题呢？
所以 ， 通过胚胎早期发育这个协奏曲充分的认识和研究 ， 我们就获得了打开再生医学重要的钥匙 。
那么也符合了古代哲学中“道法自然”的一个理念 ， 我们从大自然中学习 ， 从实验中去总结规律 ， 然后帮助我们在实验室中对这些细胞进行改造 。
我们获得这些具有特定功能的细胞 ， 理解细胞变化的能力和规律 ， 那么在未来 ， 我们把它进行移植或者再造应用 ， 为我们未来的医学打开一片全新的窗口 。
胚胎发育的协奏曲仍然在演奏 ， 目前我们也在加入更多的方法 ， 通过多个学科的交叉进一步希望研究整个过程中 ， 这些细胞它是如何转变的 。
我也非常欢迎和鼓励大家在这个过程中 ， 早早地进行各种方面的储备 ， 我们一起来欣赏和体会这一首协奏曲 。 谢谢大家！
“格致论道” ， 原称“SELF格致论道” ， 是中国科学院全力推出的科学文化讲坛 ， 由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办 ， 中国科普博览承办 。 致力于非凡思想的跨界传播 ， 旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展 。 获取更多信息 。 本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks） ， 转载请注明公众号出处 ， 未经授权不得转载 。
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