出品：科技《科學(xué)大家》
受訪人：喬杰 中國工程院院士，北京大學(xué)第三醫(yī)院院長，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師
人類生育力下降形勢嚴(yán)峻
目前，全球平均不孕不育率大概在10% -15%左右，我國約為15%。中國不孕夫婦約為1200-1500萬對，自然妊娠人群流產(chǎn)率高達(dá)10%。另外，我國嬰兒出生缺陷率為5.6%，每年新增約90萬例患兒。
與此同時，世界老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，我國也不例外，2015年，中國人口總和生育率約為1.6，遠(yuǎn)低于人口世代更替水平2.1，全面二胎政策的出臺也沒能明顯地緩解這種情況。2018年65歲以上人口已達(dá)1.67億。按此趨勢，到2050年，中國老齡人口預(yù)計將占總?cè)丝跀?shù)的35%，遠(yuǎn)高于世界平均22%的老齡人口比例。資料顯示，從2015到2025年，預(yù)測育齡人口的規(guī)模將不斷下降。
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2019年11月21日，《國家積極應(yīng)對人口老齡化中長期規(guī)劃》正式對外發(fā)布?！兑?guī)劃》指出，到2022年，積極應(yīng)對人口老齡化的制度框架初步建立，基本養(yǎng)老保險和基本醫(yī)療保險基本實現(xiàn)法定人員全覆蓋。
到2035年，積極應(yīng)對人口老齡化的制度安排更加科學(xué)有效，社會財富儲備進(jìn)入高收入國家行列，主要健康指標(biāo)進(jìn)入高收入國家行列，中國特色養(yǎng)老服務(wù)體系成熟定型，全體老年人享有基本養(yǎng)老服務(wù)，老年友好型社會總體建成。
到本世紀(jì)中葉，與社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國相適應(yīng)的應(yīng)對人口老齡化制度安排成熟完備。
輔助生殖技術(shù)發(fā)展及瓶頸
2019年4月15日，北京大學(xué)第三醫(yī)院（以下簡稱為北醫(yī)三院）的醫(yī)生像往常一樣忙碌：中國大陸首例試管嬰兒鄭萌珠即將臨盆。伴隨著一聲脆亮的啼哭，體重3850克的男寶寶降生了，就像他媽媽當(dāng)年一樣，作為“試管嬰兒二代寶寶”，他的誕生吸引了眾人的目光。
中國試管嬰兒之母張麗珠教授與鄭萌珠 來源于網(wǎng)絡(luò)
時光倒回到31年前，1988年3月10日，鄭萌珠在北醫(yī)三院生殖醫(yī)學(xué)中心出生。她的出生，開啟了我國輔助生殖技術(shù)的新征程，而“試管嬰兒二代寶寶”的出生，更是證實了我國輔助生殖技術(shù)的安全性。從2005年起，中國輔助生殖技術(shù)（Assisted Reproductive Technology，ART）總體服務(wù)量急速上升，遠(yuǎn)超同期美國CDC（Centers for Disease Control and Prevention）給出的ART周期數(shù)。
近三年來，北醫(yī)三院每年的門診量都在60萬左右，很多夫妻因為生育問題來北京就診。北醫(yī)三院院長喬杰表示，這些患者大多數(shù)是中青年育齡人群，是家庭、社會的中堅力量。通過媒體傳播，輔助生殖技術(shù)及其衍生技術(shù)越來越受到社會公眾地廣泛關(guān)注，不少人甚至將高齡生育的全部希望都寄托在凍卵上。
卵子在冷凍過程中還是不可避免的受到一些傷害，包括溫度的變化、冷凍培養(yǎng)液的處理等，且解凍過程也可能破壞卵子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
輔助生殖生殖技術(shù)給予很多家庭孕育新生命的希望，但其本身也面臨著困境——比如平均每個治療周期成功率只有30%左右等（注：這里成功率的概念是有一個健康的嬰兒出生）。目前，臨床科研人員仍在不斷探求提高輔助生殖成功率的方法，但無論如何，“高齡”仍是不可避免的、限制輔助生殖成功率的最大因素。所以，喬杰院士強(qiáng)調(diào)：“順利生育健康嬰兒的最好方式就是育齡期夫妻在25-28歲這段最好的生育時間科學(xué)備孕，盡量不要超過35歲。疾病有時候不可避免，但是人生規(guī)劃是可以事先做好的，盡量工作生活兩不誤?！?/p>
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不斷破解配子、胚胎發(fā)育過程難題
人類和其他物種同起源于單細(xì)胞生物。隨著進(jìn)化，人類與其他生物的遺傳差別越來越大，逐漸表現(xiàn)出自身獨(dú)特性狀并將其維持。而這種獨(dú)特特征的傳遞正有賴于生殖細(xì)胞。孕育新生命的過程中，種子（卵母細(xì)胞質(zhì)量、精子質(zhì)量）、土地（子宮內(nèi)膜）和環(huán)境（身體局部和整體條件）是關(guān)鍵，而其中卵母細(xì)胞質(zhì)量、精子的質(zhì)量約占70%的因素。但目前我們對從配子發(fā)生，到受精以后形成新的個體及其再發(fā)育的整個過程仍知之甚少，所以不斷探究、解析人類配子胚胎發(fā)育調(diào)控規(guī)律是我們了解自己、試圖提高輔助生殖成功率的重要一環(huán)。
在高通量單細(xì)胞測序等技術(shù)的支持下，近年來，喬杰團(tuán)隊和北京大學(xué)謝曉亮教授及湯富酬教授合作團(tuán)隊，不斷圍繞生殖細(xì)胞發(fā)生、發(fā)育及成熟進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，揭示了人類早期胚胎發(fā)育，著床過程，胎兒生殖細(xì)胞發(fā)生、精子、卵泡成熟等多個關(guān)鍵發(fā)育階段的基因組特征、DNA甲基化重編程及其對基因表達(dá)的調(diào)控關(guān)系，從而能使精子及卵細(xì)胞中每個基因、堿基都能追蹤到親本來源，這為遺傳疾病診斷的連鎖分析奠定了基礎(chǔ)。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
“臨床上，著床失敗是導(dǎo)致早期流產(chǎn)的重要因素之一?！眴探茉菏勘硎?，此前無法獲得自然受孕后的早期著床后階段的人類胚胎，多用嚙齒類胚胎或猴子胚胎等模式生物替代研究，無法準(zhǔn)確反映人類分子調(diào)控等規(guī)律的真實情況。
胚胎植入的第一步是胚胎在各種激素和生長因子及趨化因子的作用下，胚胎滋養(yǎng)外胚層同子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞黏附繼而向內(nèi)膜侵入。而后，植入后滋養(yǎng)層細(xì)胞進(jìn)一步侵入和分化以維持妊娠防止流產(chǎn)。說來簡單，但這一過程卻是一個“黑匣子”。
2019年8月21日，喬杰教授課題組和湯富酬教授課題組合作，在《自然》雜志在線發(fā)表了名為《利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組圖譜重構(gòu)人類胚胎著床過程》的論文，成功破解了這一“黑匣子”。他們應(yīng)用體外模擬人類胚胎著床培養(yǎng)體系，經(jīng)過與高精度單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)相結(jié)合，首次闡述了人類胚胎著床過程基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和DNA甲基化動態(tài)變化規(guī)律，解析了圍著床期胚胎發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制。
胚胎著床，來源于網(wǎng)絡(luò)
隨著受精卵的分裂，胚胎細(xì)胞逐漸出現(xiàn)了命運(yùn)的分化，形成具有三種細(xì)胞類型的囊胚，其中以上胚層細(xì)胞為主的胚層前體細(xì)胞快速增殖、遷移，形成內(nèi)中外三個胚層，胚層前體細(xì)胞命運(yùn)決定是胚胎發(fā)育的關(guān)鍵，如果胚層誘導(dǎo)和分化發(fā)生異常，將會導(dǎo)致不良妊娠及胎兒畸形的發(fā)生。這個過程中一些表觀遺傳的改變，其對成人疾病的影響，是要特別關(guān)注的。很多成人相關(guān)的疾病都是和滋養(yǎng)外胚層、內(nèi)細(xì)胞團(tuán)這二者有關(guān)，然而能研究人類的胚胎很有限，所以在不同模式動物上的研究非常重要。
哺乳動物早期發(fā)育過程中，細(xì)胞的遷移、增殖和分化對胚層細(xì)胞的形成及胚胎模式的建立至關(guān)重要。以小鼠為例，受精后第6.5天胚胎的細(xì)胞數(shù)目約660個細(xì)胞，到7.5天就多達(dá)1.6萬個細(xì)胞，細(xì)胞數(shù)量增加27倍，這個過程到底發(fā)生什么了？伴隨著細(xì)胞的快速增殖，研究者利用標(biāo)記中胚層細(xì)胞的特異標(biāo)記物，追蹤了中胚層細(xì)胞從原條部位遷移至胚胎前端及胚外的運(yùn)動軌跡。而胚層細(xì)胞命運(yùn)區(qū)域化何時建立，又是如何受到遺傳、表觀遺傳的調(diào)控，是發(fā)育研究的重大基礎(chǔ)問題，相關(guān)研究一直在進(jìn)行。
近年通過單細(xì)胞測序等手段，科學(xué)家已初步解析了斑馬魚、非洲爪蛙等模式動物原腸期不同胚層細(xì)胞譜系的變化特征，小鼠中的研究也表明胚層細(xì)胞譜系區(qū)域化這一特征可以追溯到卵裂期，這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的頂端控制因素尚不明確；此外，該過程的關(guān)鍵決定因素是否可以追溯到卵裂期之前也是尚未解決的重要科學(xué)問題。目前，科學(xué)家已經(jīng)建立了有效的實驗方法和技術(shù)路線，可以實現(xiàn)在受精卵形成時，規(guī)?；赝诰蛟撨^程的候選調(diào)控因子，鑒定其在胚層細(xì)胞命運(yùn)區(qū)域化中的決定性作用，并探索其作用機(jī)制，進(jìn)而為回答這一重要科學(xué)問題提供線索。
胎兒原始生殖細(xì)胞發(fā)育過程的研究也是十分困難的。2017年，利用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)，科學(xué)家分析了超過2，000個胎兒生殖細(xì)胞及生殖脊周圍體細(xì)胞，包括男性和女性胚胎并且涵蓋了多個發(fā)育時期。此項研究發(fā)現(xiàn)女性胎兒生殖細(xì)胞經(jīng)歷4個時期：有絲分裂、視黃酸信號傳導(dǎo)、減數(shù)分裂前期與卵子發(fā)生；而男性胎兒生殖細(xì)胞則經(jīng)歷3個時期：遷移、有絲分裂與細(xì)胞周期阻滯。該項研究描繪的體內(nèi)正常生理情況下人類胚胎生殖細(xì)胞的發(fā)育歷程將為生殖細(xì)胞相關(guān)疾?。ㄈ绮辉胁挥突チ龅龋┑脑\斷和治療提供路標(biāo)。
經(jīng)過一系列研究畫出的圖譜顯示，精卵DNA甲基化在著床前和胎兒原始生殖細(xì)胞階段發(fā)生兩次大規(guī)模重編程——生命周期中兩次大規(guī)模甲基化重編程。這一過程中，印記基因甲基化在胚胎發(fā)育中維持，原始生殖細(xì)胞擦除，精、卵成熟過程分別重新建立父源、母源印記，發(fā)現(xiàn)新的等位基因差異甲基化區(qū)域，潛在新的印記基因；重復(fù)序列元件保留大量甲基化，以保持基因組穩(wěn)定；父源母源DNA甲基化對胚胎發(fā)育貢獻(xiàn)可能不同。
近來，中科院動物研究所、昆明動物所、昆明理工大學(xué)團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志背靠背發(fā)表了頗具突破性的研究成果。體外培養(yǎng)食蟹猴/獼猴胚胎超過14天，培養(yǎng)到了20天，由此成功模擬了胚胎著床和原腸運(yùn)動過程。原腸運(yùn)動是囊胚著床后的一個里程碑事件，英國著名發(fā)育生物學(xué)家Lewis Wolpert曾說：“人生最重要的階段不是出生和結(jié)婚，甚至不是死亡，而是原腸運(yùn)動?！痹c運(yùn)動在進(jìn)化上非常保守，其機(jī)制受到精細(xì)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)控，是最為引人入勝的發(fā)育生物學(xué)過程。原腸運(yùn)動的正常、有序發(fā)生是三個胚層形成的基礎(chǔ)，為后續(xù)各臟器正常分化提供保障。但由于原腸運(yùn)動發(fā)生在囊胚植入母體子宮后，受到研究材料、實驗技術(shù)和動物倫理等因素的限制，目前人們對原腸運(yùn)動的認(rèn)識依然十分有限。在哺乳類動物中，僅小鼠的原腸運(yùn)動過程相對研究較多，而嚙齒類和靈長類動物在胚胎早期的發(fā)育過程存在很多差異，兩者不能完全進(jìn)行類比。
體外培養(yǎng)食蟹猴/獼猴胚胎的培養(yǎng)系統(tǒng)、形態(tài)學(xué)鑒定、以及單細(xì)胞組學(xué)測序等分析，證實了體外和體內(nèi)發(fā)育胚胎在形態(tài)學(xué)與基因表達(dá)特征上高度相似，且均能在體外重現(xiàn)體內(nèi)胚胎的多個重要生物學(xué)事件。這項工作對探索靈長類早期胚胎發(fā)育，特別是胚胎早期植入階段和原腸運(yùn)動階段，開辟了一個嶄新的研究平臺。結(jié)合細(xì)胞示蹤技術(shù)和單細(xì)胞測序技術(shù)，該體系將推動靈長類早期胚胎發(fā)育和疾病的研究，推動胚胎干細(xì)胞定向分化，以及再生醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
2018年11月23日，清華大學(xué)孟安明院士研究組與陶慶華教授研究組在《科學(xué)》雜志合作發(fā)表了題為《母源因子Huluwa通過β-catenin決定脊椎動物胚胎體軸》的論文，引發(fā)廣泛關(guān)注。該研究鑒定了一個全新的膜蛋白，命名為“葫蘆娃”（Huluwa，Hwa），Hwa是一個母源因子，在斑馬魚和非洲爪蛙的受精卵中就獲得了區(qū)域化的定位，這一特征導(dǎo)致Huluwa僅在胚胎一側(cè)誘導(dǎo)Spemann組織者生成，系統(tǒng)的遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)實驗證明了是Hwa就是自Spemann發(fā)現(xiàn)組織者以來，人們苦苦尋找的母源背方?jīng)Q定因子。
圖片來源于清華大學(xué)新聞網(wǎng)
在機(jī)制研究過程中，科研工作者對臨床新技術(shù)的探索也在不斷進(jìn)行。喬杰認(rèn)為，不成熟卵的獲取、體外成熟技術(shù)，不讓卵細(xì)胞脆弱的紡錘體受損害的新技術(shù)、冷凍保護(hù)劑的研發(fā)等等，這些需要各領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力。
如何避免出生缺陷
目前，全球出生缺陷形勢嚴(yán)峻，即使在發(fā)達(dá)國家，出生缺陷發(fā)生率也有2%--3%，2012年《中國出生缺陷防治報告》中提到，我國每年新增出生缺陷約90萬例，出生缺陷已成嬰兒死亡和兒童殘疾的主要原因。
為什么會出現(xiàn)出生缺陷？喬杰表示，這可由染色體畸變、基因突變等遺傳因素引起，也可由孕前及孕期感染、放射線、致畸藥品、孕婦糖尿病等環(huán)境暴露因素引起，也可由這兩種因素交互作用或其他不明原因所致。
我國現(xiàn)已形成出生缺陷三級預(yù)防體系。三級預(yù)防是指出生以后再去治療，治療效果有限且成本高；二級預(yù)防是中期引產(chǎn)，但這對母親來說非常痛苦；一級預(yù)防包括婚前及孕前咨詢、產(chǎn)前檢查，特別對于有遺傳病或者已經(jīng)生育了出生缺陷患兒的家庭來說，胚胎植入前遺傳學(xué)診斷是從源頭預(yù)防的最好方法。目前，喬杰教授、謝曉亮教授及湯富酬教授團(tuán)隊創(chuàng)建的胚胎植入前遺傳學(xué)診斷新方法MARSALA，一次測序完成則能“單基因檢測、染色體鑒定及連鎖分析”三重診斷。目前已經(jīng)對近600余對夫婦，包括近 200種單基因疾病進(jìn)行了診斷，希望更多新技術(shù)的研發(fā)能夠讓更多的家庭能夠受惠。
2018年，北醫(yī)三院輔助生殖技術(shù)系列研究成果作為改變民生的臨床技術(shù)唯一代表，入選“偉大的變革——慶祝改革開放40周年大型展覽”。世界首例MALBAC 嬰兒和中國大陸首例嬰兒一起，作為北醫(yī)三院輔助生殖技術(shù)的代表，也是中國輔助生殖技術(shù)水平的體現(xiàn)，在第四展區(qū)——?dú)v史巨變中進(jìn)行了展出。（河雨）
2019年11月17日，在2019未來科學(xué)大獎頒獎典禮上，喬杰接受了科技等媒體的采訪，就試管嬰兒技術(shù)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用等問題進(jìn)行一一回應(yīng)，以下是采訪實錄：
解凍移植和新鮮周期移植那個更好？
喬杰：新鮮周期移植已得到比較廣泛的認(rèn)可，因為胚胎不用經(jīng)過一個冷凍過程。胚胎在冷凍過程中會不可避免的受到一些傷害，包括溫度變化、冷凍培養(yǎng)液的處理等。但我們進(jìn)行了相應(yīng)的追蹤隨訪，就目前的技術(shù)看，解凍以后移植的胎兒還是比較健康的。至于解凍移植成功率是不是真正地提高了，現(xiàn)在并沒有定論，畢竟冷凍過程中會損失掉一些胚胎。但對于母體不適合新鮮周期移植的人來說，解凍移植還是較好的替代方法。
基因編輯技術(shù)能否應(yīng)用到生殖醫(yī)學(xué)方面？
喬杰：對于基因編輯技術(shù)，我們的態(tài)度非常明確。目前階段這個技術(shù)不成熟，在生命起源去編輯基因，會使不安全因素明顯增加，弊端還是非常明顯的。所以在動物實驗沒有完全明確的情況下，目前還不適合在臨床開展應(yīng)用。但對于一些腫瘤晚期的患者而言，可以適當(dāng)考慮。因為他的生命已經(jīng)垂危，可以選擇雖然對自己生命有風(fēng)險，但也可能有益處的方案。
臨床醫(yī)生和科學(xué)家如何跨界合作
喬杰：謝曉亮老師當(dāng)時回國時，并沒有想到他的研究會很快得到應(yīng)用。他在北醫(yī)三院做報告的一次偶然機(jī)會，我給他建議說，如果將他的研究應(yīng)用在生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會很有意思，于是我們便開啟了合作。新的方法，正是需要臨床醫(yī)生去尋找應(yīng)用切入點(diǎn)，所以我們跟謝老師的合作模式在北大，甚至在全國的醫(yī)學(xué)界里邊，都被認(rèn)為是一個非常好的樣板。
同時大學(xué)的附屬醫(yī)院，原則上就是要把疑難疾病診斷和科技創(chuàng)新放在首位，所以特別鼓勵醫(yī)生既做疾病研究，又做臨床流行病學(xué)調(diào)查，同時很重要的是在這個過程中產(chǎn)生新產(chǎn)品、新技術(shù)。
單獨(dú)二胎和全面二胎放開之后，試管嬰兒是否會隨之有升高？
喬杰：對于育齡婦女來說，35歲以上就叫做高齡了，高齡產(chǎn)婦在妊娠分娩過程中要承擔(dān)不少可能的風(fēng)險，包括高血壓、糖尿病，瘢痕子宮、胎盤植入、產(chǎn)后出血等。
試管嬰兒發(fā)生率跟全面二胎有一定相關(guān)性，因為高齡的卵巢功能和精子質(zhì)量都會下降，從而導(dǎo)致不孕率增加，因此這些患者尋求輔助生育技術(shù)幫助的百分比也會增加。 所以我特別希望通過媒體這個途徑建議廣大的育齡期女性，年齡是限制生育的最主要因素。
試管嬰兒費(fèi)用高嗎？
喬杰：目前我國試管嬰兒總體費(fèi)用控制的是比較好的，平均下來應(yīng)該做一個周期，醫(yī)藥費(fèi)和技術(shù)相應(yīng)的費(fèi)用大概在3萬左右?；颊咴侥贻p，病情越簡單，只進(jìn)行常規(guī)體外受精胚胎移植的話，大概需要2.5萬左右。所以越年輕用的藥物越少，治療的效果好，成功率還高。所以一定在適當(dāng)?shù)哪挲g去解決生育問題，做好生育評估，早診早治。
在不久前國家發(fā)布的健康中國行動計劃中，第一條就是健康知識的教育普及，這個特別重要，大家年輕時都覺得自己沒什么事兒，一心只顧事業(yè)，等到40多歲，有些時間了，才想著去生孩子。有些人還把所有希望都放在凍卵凍胚上，這并不是完美的選擇。所以一定要遵循自然的規(guī)律，在22-28歲最好的生育年齡科學(xué)備孕，孕育健康寶寶。
在臨床醫(yī)生和科學(xué)家這兩個角色切換的時，狀態(tài)有什么不同嗎？
喬杰：臨床醫(yī)生在成為高年資醫(yī)生之后，面臨的疑難病人就會增加，當(dāng)現(xiàn)有方法無法幫助別人的時候，就一定會想辦法去做研究解決臨床問題。當(dāng)然做研究確實需要花費(fèi)更多時間和精力，畢竟碰到的困難還是挺多的。 所以帶著興趣、帶著責(zé)任去做，可能才會有更多動力。希望在大學(xué)附屬醫(yī)院里，有更多從事臨床工作的年輕人能夠加入到科研團(tuán)隊中，帶著臨床問題不斷合作探索，進(jìn)行機(jī)制研究，同時凝練方法，讓方法真正適合臨床需求，同時在臨床應(yīng)用過程中不斷完善，提出新的、更好的解決方案，這其實是一個不斷持續(xù)的過程。所以總言之，臨床醫(yī)生和科學(xué)家這兩個工作實際上是緊密結(jié)合在一起的。
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