“這是什麼？” 當邵玥第一次在顯微鏡中看到一團未知細胞時，不由地問了一句。這個問題困擾了他許久，卻也成了他做出 “無胚化” 人類胚胎學技術的開端。

研究人類胚胎早期發育對了解生命和繁衍有著重要意義。但由於樣本獲取難度大且對活胚胎的體內外研究受到嚴格倫理學限制，人類對於胚胎早期發育的研究幾個世紀以來基本處於 “技術真空” 狀態。

為了打破這一技術真空，邵玥及其團隊獨創地聯合應用人多能幹細胞與機械微系統，在體外重建了早期胚胎髮育結構及其動態演化過程，並率先發展了一系列 “無胚化” 的人類胚胎學技術。

圖｜《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者邵玥

給早期胚胎做 “替身”

“我們知道在電影中有些危險的場景會用專業的替身，我們發明的這項技術就是給人類早期胚胎做‘替身’。” 邵玥解釋道。

人類對於早期胚胎的研究在技術和倫理上面臨諸多限制，在人類早期胚胎的研究中對活體胚胎的使用有極其嚴苛的限制，這也導致人類對於早期胚胎瞭解的並不多。如何在體外合成並培養胚胎，如何確定合成胚胎髮育的具體階段，這些都是體外合成胚胎要攻克的難題。並且，目前國際上對人類胚胎研究的倫理共識是，體外培養的人類胚胎髮育時間不能超過 14 天。因為超過 14 天后胚胎進入原腸胚階段，可被看成一個有生命的個體。

人類多能幹細胞的出現為在體外研究胚胎髮育提供了基礎、且無需使用活胚胎從而避免了倫理學困境。邵玥及其團隊顛覆性地提出了用機械微系統誘導幹細胞模擬著床期胚胎髮育的概念與技術彌補了這段研究上的空白。“而‘無胚化’人類胚胎學技術將幹細胞與機械微系統結合在一起，可達到早期胚胎‘替身’的效果。”

“利用這些‘替身’可以研究人類胚胎早期發育的基礎過程，也可以替代活的胚胎，開展一些關於藥物毒理的研究。例如，環境汙染、食品安全、藥物安全等。利用這些‘替身’我們可以瞭解某種環境汙染物或是某種食品新增劑是否有可能對胚胎有影響。

邵玥基於人類多能幹細胞，實現了世界首例對著床期至原腸胚期的羊膜囊類胚胎的體外重建；透過微製造技術，建立了著床期胚胎組織發育的藥物毒性篩查技術。透過與微流控器件的結合，完善了對著床期人類胚胎核心發育過程的體外再現。

這一系列技術奠定了 “合成人類胚胎學” 這一新領域及其技術平臺，併為其後續發展提供了基本正規化。

除了技術突破外，在標準化和模型方面，邵玥也給出了很好的 “答卷”。他與合作者建立了標準化的羊膜囊類胚胎晶片以及首例具有背腹軸的神經球模型。

“羊膜囊類胚胎晶片結合微流控系統，實現了體外羊膜囊胚胎髮育的可控。透過這項技術我們可以控制羊膜囊類胚胎的發育環境，在特定的時間和環境下給細胞增加適當的條件，就能高效獲得穩定的結果，從而實現對人類胚胎多個早期發育過程的體外重建。利用機械微系統將幹細胞在體外形成羊膜囊類胚胎做得更標準、更高效，在一定程度上將這個過程規範化和標準化。”

“具有背腹軸的神經球模型的開發對於基礎科學的研究具有重要意義。人在生理結構上分上下左右前後，這就是體軸的發育。但在體外對體軸及脊柱的早期發育研究還很困難，所以透過具有背腹軸的神經球模型，科研人員可以進一步做中樞神經系統及脊柱的基礎研究。”

面向轉化應用，邵玥及其團隊發明了一項高通量羊膜微陣列技術，首次實現了臨床藥物的著床期胚胎毒理學篩查，填補了此前藥物研發中胚胎髮育毒理研究的人源模型技術的空白。

“我們會進一步利用‘無胚化’人類胚胎學技術，期待做出一個形神兼備的早期神經系統發育模型，使之與實際胚胎的中樞神經系統發育更相似，這樣它就可以作為胚胎的‘替身’，在體外研究胚胎的發育環境。透過實驗和測試，為未來自然環境的保護和食品安全提供一些指導。”

關於倫理問題，邵玥也解釋說：“我們的這項技術不涉及倫理問題，這也是這項研究重要的原因之一。‘無胚化’人類胚胎學技術所設計的模型恰好處於胚胎倫理‘14 天規則’之前，卻又可以給研究提供一個比較明晰的展示。也有人嘗試用幹細胞構建一個儘可能接近於完整胚胎的實體，但我和很多國際同行都認為，沒有這樣做的必要性。從預防醫學角度來說，在不構建一個活胚胎的前提下，我們同樣可以做相應的研究。到臨床實用時，這項技術可以替代真實胚胎做試驗。就像拍電影，替身的存在是為了讓真正的主角少經歷一些危險的場景。"

生物學與機械的 “跨界融合”

邵玥出生於高知家庭，父親是機械工程領域教授。在父親的影響下，邵玥從小就對機械、工程類的東西感興趣。“那時候放學回家做完作業就沒什麼事了，我做了很多模型和手工，再加上家長也是從事機械工程方面的工作，所以對機械工程有天然的親近感。”

到了初中時期，邵玥逐漸對數理化課程產生了興趣，他也帶著這份興趣投入考進了清華，學習工程力學。

“大二那年機緣巧合做了生物力學方向的研究，那時起，我就一直在想如何用力學解釋生命。” 邵玥回憶剛接觸生物學時的想法。

清華大學工程力學系碩士畢業後，邵玥前往密歇根大學攻讀博士學位。“之前我學的是機械工程，以這個角度開始接觸生物工程。一開始我嘗試的研究方向很多，幹細胞模擬早期發育方向是其中一個。”

“很多時候我就待在醫學院發育系的實驗室裡，沉浸在那種科研環境中，看發育學家如何做事，如何想問題。這樣的經歷對我在密西根大學取得的成績和現在的研究有非常重要的影響。” 邵玥說。

“讀博期間，我在想如何用力學調控幹細胞進而模擬胚胎髮育。我們的合作者中，有一位胚胎生物學家，我和他說了自己的想法。他笑著說‘你是做不出來的’。” 邵玥回憶剛剛想用力學調控幹細胞時別人的評價。“當時我也不確定自己能不能做出來，但密西根大學和當時課題組的科研環境很寬鬆，讓我有繼續下去的勇氣。”

緊接著，邵玥開始了在密歇根大學和麻省理工學院與哈佛醫學院的博士後研究工作。

“我第一次在顯微鏡下看到一團未知細胞時，就想知道這是什麼。因為這些幹細胞細胞似乎比預期變化得更快，它們甚至在幾天內迅速地排列成一個不對稱的圓狀結構。我花了三個月的時間查了很多資料、問了很多專家終於知道了答案 —— 早期胚胎。當時，我和我的團隊都很興奮，覺得值得繼續研究下去。要知道當時在體外人工培育胚胎是非常困難的，因為胚胎很難存活。”

“胚胎的發育速度是很快的，一直處於非常動態的過程。如何透過調控培養環境來調控胚胎的發育成了挑戰，也成了我們做出機械微系統來解決該問題的動力。”

使用機械微系統誘導幹細胞模擬著床期胚胎髮育的概念與技術，首次成功重建了著床期至原腸胚期的羊膜囊類胚胎，讓 “無胚化” 人類胚胎學技術正式走入大眾視野。人類對胚胎早期發育研究的 “空白” 也開始被填補。

如今的邵玥已是清華大學航天航空學院工程力學系生物力學與醫學工程研究所副所長和副教授。當年多地求學的少年也已為人師，邵玥認為科研路上找準問題、分解思維、頂層設計思維及勇敢是十分重要的思維和品質。

談及下一步的研究計劃，邵玥表示，“未來希望透過多種工程化微環境技術，提高體外構建合成胚胎模型的保真度，讓‘無胚化’人類胚胎學技術更加完善和可控。”