科普：试管婴儿技术及其前世今生

核移植技术

有研究指出由于种种因素，中国的不孕不育患者已超过5000万，并且这一数据还在不断增长。目前也有不少辅助生育的医疗方式，包括激素治疗增加女性排卵期所释放的卵子等等，但当这些方式不适用或者失败时，想要共同孕育下一代的夫妇往往只借助体外受精IVF，即试管婴儿。然而，IVF并不是一个轻松简单的过程，对于女性来说甚至称得上颇为痛苦。在为期一个月的准备过程中，女性必须每日注射促性腺激素，并且需要医生频繁监控，以确保身体对激素产生适当反应。

当卵子成熟并准备排卵时，医生们将其从女性卵巢取出并与精子在体外共同孵育。尽管医生们会根据一些标准来筛选发育得最好的胚胎，IVF的成功率并不算高：三十五岁以下女性的成功率只有30%至40%，而进入四十岁的女性成功率更低。这使许多夫妇都要经历几轮失败的IVF，不仅耗费了大量金钱还会由于多次激素治疗而有损女性健康。此外，人们为了增加IVF成功率通常一次植入多个胚胎，而这又往往会造成多胎妊娠，增加了母子患上严重并发症的风险。

总的来说，目前亟需开发出更好的胚胎筛选技术。科学家们也以此为目标不断研究，并预计在未来几年内，展开一些新筛选技术的临床试验。

形态学筛选

第一个IVF婴儿出生于1978年，但自那以来医生们筛选胚胎的工具还是十分有限。对胚胎进行形态学评估是最传统也是用得最广泛的筛选方法。医生们利用简单的光学显微镜，可以在不同发育阶段评估一些反映胚胎质量的参数。第一天可通过受精卵两个原核仁的形态进行分级，这两个原核仁分别含有父母的一套遗传物质。这时医生们衡量的是原核仁的尺寸和数量，以及其中核仁的定位。在第二或第三天，原核仁融合受精卵开始卵裂，医生就会评估卵裂球的数量、形状以及碎片程度。最后，在第五或第六天胚胎发育成为，医生就能对滋养层腔、将发育成胎儿的突出细胞团进行评估，以选择最要好的胚胎。

形态学评估成本低也易于应用，不过这一方法也存在一定缺陷。胚胎形态学分级比较主观，需要专业而且有经验的操作者。而且有时经验丰富的专业人士也不一定能保证筛选结果，有研究表明一些形态学评级低的胚胎其实也具有很高的发育潜力。于是，人们又进一步开发了一些新的筛选方法来检测可能影响胚胎活力的疾病，甚至还可以检测一些潜在的严重儿童疾病。这些方法包括遗传学分析、蛋白组学分析和代谢组学分析。

遗传学筛选

如果父母携带一些潜在的遗传学疾病，通常会采用胚胎植入前遗传学诊断PGD，从卵裂球阶段（受精后的第二或第三天）取一两个细胞或者从滋养层取一些细胞（第五、第六天）进行检测。在绝大多数情况下，这两种方式都不会对胚胎造成伤害。医生们用这些细胞做PCR分析或荧光原位杂交FISH，来诊断特定基因突变和染色体异常等。近来，PGD还包括比较基因组杂交或单核苷酸多态性芯片分析，能够分析胚胎的整个基因组，提供更为全面的信息。

其他筛选技术

上述遗传学筛选技术都需要从发育中的胚胎中取样，这总令人有所顾虑。因此一些新型分析方法渐渐流行起来，例如代谢组和蛋白质组分析。这些分析方法只需要从胚胎生长的培养基中取样，不会干扰细胞团。研究人员可以通过分析培养基中丙酮酸和葡萄糖浓度的变化，来衡量胚胎的代谢情况，不过其有效性还存在争议。幸运的是，已有研究证明培养基中的其他变量可以作为更可靠的衡量指标，例如耗氧量等等。现在，胚胎代谢物和分泌蛋白的图谱分析已经取代了单个代谢物的分析。许多研究都已证实，胚胎的代谢状态与其活力密切相关，说明这类分析在IVF临床应用中颇具潜力。不过这类分析的仪器比较昂贵，而结果分析也有较高的专业要求，影响了这类技术的广泛使用。

上述种种技术并未给IVF的成功率带来显著改善，而可供胚胎筛选的时间却不多。胚胎在第五天后就要准备在子宫内着床，需进行植入或冷冻。绝大多数现有的筛选方法能够在第三天前做出评估，但有些也会拖到第五天或第六天。研究者们担心胚胎在体外培养过久，会使其基因组更容易受到环境的表观遗传学影响，因此尽量减少胚胎在母体外的时间很重要。人们依旧需要新技术，以便获得更多胚胎发育信息，实现更早更准确的胚胎筛选。

新一代筛选技术

Zernicka-Goetz是剑桥大学哺乳动物发育及干细胞生物学教授，他的实验室在小鼠早期发育研究的基础上也开展了胚胎筛选的研究。早在2005年，Zernicka-Goetz就意识到了解胚胎发育的最好途径就是活体成像技术。在他的启发下剑桥大学另一个研究小组开始对小鼠胚胎发育进行成像分析，在复杂软件的帮助下对细胞分裂过程中的每个胚胎细胞进行追踪直至囊胚期。他们的4D分析揭示了胚胎首次分裂与囊胚结构建立之间的关联，也是首次在活哺乳动物胚胎中跟踪每个细胞的分化过程，这一重大进步为许多研究奠定了基础。

2010年斯坦福大学Renee Reijo Pera实验室发表了一项研究，他们用time-lapse image技术分析了人类胚胎的形成过程。研究人员记录了正常与非正常胚胎生长至囊胚的过程。研究显示，在细胞分裂的最后阶段，低质量胚胎的胞质分裂过程特别长。低质量胚胎与高质量胚胎的第二次卵裂时间也有显著差异，低质量胚胎的第二次卵裂时间不是过早就是过晚。而且第二次卵裂形成的是三个细胞，因为第一次卵裂所形成的两个细胞中只有一个细胞发生分裂。此外研究人员还发现，能够成功发育到囊胚期的胚胎，其第二次和第三次分裂衔接非常紧，几乎同步。该研究再次证实了此前的发现并进行了量化，提出第一次分裂的时机与人类高质量胚胎存在对应关系。

2007年Zernicka-Goetz在自己一项早期研究的基础上想到了评估胚胎质量的新方法。研究显示，精子进入卵子的位点与胚胎的发育情况有关。Zernicka-Goetz与牛津大学的研究人员合作，发现受精引发了一系列快速的细胞质运动，而这些运动对于预测胚胎发育很关键。研究人员通过time-lapse imaging技术观察胚胎，并采用基于粒子图像测速（PIV）的计算机方法进行分析。PIV技术本用于对飞机机翼上的气流或人工心脏中的血流进行分析。

研究人员对小鼠胚胎进行了观察，发现精子进入卵子后在进入位点形成受精锥，随后受精卵的细胞质形成高速漩涡，最后再逐渐减慢，而细胞内的这种震荡模式是由肌动球蛋白网络收缩所引起的。研究人员还发现在新一轮细胞质流动开始之前，受精锥会先扁平而后再突出。研究显示，精子受精会影响内质网释放钙离子，而细胞内钙离子水平的动荡造成了肌动球蛋白收缩以及随后的细胞质流动。当钙离子水平升高时，肌动球蛋白网络收缩，胞质流动变快。而当研究人员阻断钙离子释放时，就不会发生快速的胞质流动。

在此基础上，研究人员开发了首个评估肌动球蛋白网络和细胞钙离子状态的非介入性定量技术，而这两者都是胚胎正常发育所必须的。他们已经为这项技术申请了专利，目前正在人类胚胎中测试这种细胞质流动检测技术的筛选能力。

面向未来

不论是追踪细胞分裂的速度还是监控细胞质的流动，这些新型方法都极具应用潜力，科学家们也正在开展相应的临床试验。

近三十年来出现了许多胚胎筛选方法，有些侧重胚胎的细胞核，着重分析潜在的染色体异常，例如形态学和遗传学筛选；有些侧重胚胎的胞质部分，通过代谢、钙稳态和细胞骨架等评估胚胎的质量。将这些方法组合起来使用，也许是最好的选择。其中，把遗传学检测与细胞质流动监控结合起来最具潜力，因为这一组合能够在受精后几个小时内提供胚胎的质量信息，从而大大加快胚胎筛选过程，最大程度减少IVF在体外培养的时间。