憑借該技術(shù)，邵玥入選了《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單。

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

人類對于早期胚胎的研究在技術(shù)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(yán)苛的限制，這也導(dǎo)致人類對于早期胚胎了解的并不多。如何在體外合成并培養(yǎng)胚胎，如何確定合成胚胎發(fā)育的具體階段，這些都是體外合成胚胎要攻克的難題。并且，目前國際上對人類胚胎研究的倫理共識是，體外培養(yǎng)的人類胚胎發(fā)育時間不能超過 14 天。因為超過 14 天后胚胎進(jìn)入原腸胚階段，可被看成一個有生命的個體。

人類多能干細(xì)胞的出現(xiàn)為在體外研究胚胎發(fā)育提供了基礎(chǔ)、且無需使用活胚胎從而避免了倫理學(xué)困境。邵玥及其團(tuán)隊顛覆性地提出了用機(jī)械微系統(tǒng)誘導(dǎo)干細(xì)胞模擬著床期胚胎發(fā)育的概念與技術(shù)彌補(bǔ)了這段研究上的空白?！岸疅o胚化’人類胚胎學(xué)技術(shù)將干細(xì)胞與機(jī)械微系統(tǒng)結(jié)合在一起，可達(dá)到早期胚胎‘替身’的效果?！?/p>

“利用這些‘替身’可以研究人類胚胎早期發(fā)育的基礎(chǔ)過程，也可以替代活的胚胎，開展一些關(guān)于藥物毒理的研究。例如，環(huán)境污染、食品安全、藥物安全等。利用這些‘替身’我們可以了解某種環(huán)境污染物或是某種食品添加劑是否有可能對胚胎有影響。

邵玥基于人類多能干細(xì)胞，實現(xiàn)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；通過微制造技術(shù)，建立了著床期胚胎組織發(fā)育的藥物毒性篩查技術(shù)。通過與微流控器件的結(jié)合，完善了對著床期人類胚胎核心發(fā)育過程的體外再現(xiàn)。

圖 ｜ 著床期人類胚胎羊膜囊（左，來自卡耐基收藏）與干細(xì)胞重建的類羊膜囊（右）（來源：邵玥）

這一系列技術(shù)奠定了 “合成人類胚胎學(xué)” 這一新領(lǐng)域及其技術(shù)平臺，并為其后續(xù)發(fā)展提供了基本范式。

除了技術(shù)突破外，在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的羊膜囊類胚胎芯片以及首例具有背腹軸的神經(jīng)球模型。

“羊膜囊類胚胎芯片結(jié)合微流控系統(tǒng)，實現(xiàn)了體外羊膜囊胚胎發(fā)育的可控。通過這項技術(shù)我們可以控制羊膜囊類胚胎的發(fā)育環(huán)境，在特定的時間和環(huán)境下給細(xì)胞增加適當(dāng)?shù)臈l件，就能高效獲得穩(wěn)定的結(jié)果，從而實現(xiàn)對人類胚胎多個早期發(fā)育過程的體外重建。利用機(jī)械微系統(tǒng)將干細(xì)胞在體外形成羊膜囊類胚胎做得更標(biāo)準(zhǔn)、更高效，在一定程度上將這個過程規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。”

“具有背腹軸的神經(jīng)球模型的開發(fā)對于基礎(chǔ)科學(xué)的研究具有重要意義。人在生理結(jié)構(gòu)上分上下左右前后，這就是體軸的發(fā)育。但在體外對體軸及脊柱的早期發(fā)育研究還很困難，所以通過具有背腹軸的神經(jīng)球模型，科研人員可以進(jìn)一步做中樞神經(jīng)系統(tǒng)及脊柱的基礎(chǔ)研究?！?/p>

面向轉(zhuǎn)化應(yīng)用，邵玥及其團(tuán)隊發(fā)明了一項高通量羊膜微陣列技術(shù)，首次實現(xiàn)了臨床藥物的著床期胚胎毒理學(xué)篩查，填補(bǔ)了此前藥物研發(fā)中胚胎發(fā)育毒理研究的人源模型技術(shù)的空白。

“我們會進(jìn)一步利用‘無胚化’人類胚胎學(xué)技術(shù)，期待做出一個形神兼?zhèn)涞脑缙谏窠?jīng)系統(tǒng)發(fā)育模型，使之與實際胚胎的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)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(fā)育環(huán)境。通過實驗和測試，為未來自然環(huán)境的保護(hù)和食品安全提供一些指導(dǎo)。”

關(guān)于倫理問題，邵玥也解釋說：“我們的這項技術(shù)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(xué)技術(shù)所設(shè)計的模型恰好處于胚胎倫理‘14 天規(guī)則’之前，卻又可以給研究提供一個比較明晰的展示。也有人嘗試用干細(xì)胞構(gòu)建一個盡可能接近于完整胚胎的實體，但我和很多國際同行都認(rèn)為，沒有這樣做的必要性。從預(yù)防醫(yī)學(xué)角度來說，在不構(gòu)建一個活胚胎的前提下，我們同樣可以做相應(yīng)的研究。到臨床實用時，這項技術(shù)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(jīng)歷一些危險的場景?！?/p>

生物學(xué)與機(jī)械的 “跨界融合”

邵玥出生于高知家庭，父親是機(jī)械工程領(lǐng)域教授。在父親的影響下，邵玥從小就對機(jī)械、工程類的東西感興趣?！澳菚r候放學(xué)回家做完作業(yè)就沒什么事了，我做了很多模型和手工，再加上家長也是從事機(jī)械工程方面的工作，所以對機(jī)械工程有天然的親近感?！?/p>

到了初中時期，邵玥逐漸對數(shù)理化課程產(chǎn)生了興趣，他也帶著這份興趣投入考進(jìn)了清華，學(xué)習(xí)工程力學(xué)。

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

清華大學(xué)工程力學(xué)系碩士畢業(yè)后，邵玥前往密歇根大學(xué)攻讀博士學(xué)位?！爸拔覍W(xué)的是機(jī)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，干細(xì)胞模擬早期發(fā)育方向是其中一個?！?/p>

“很多時候我就待在醫(yī)學(xué)院發(fā)育系的實驗室里，沉浸在那種科研環(huán)境中，看發(fā)育學(xué)家如何做事，如何想問題。這樣的經(jīng)歷對我在密西根大學(xué)取得的成績和現(xiàn)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(xué)調(diào)控干細(xì)胞進(jìn)而模擬胚胎發(fā)育。我們的合作者中，有一位胚胎生物學(xué)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(xué)調(diào)控干細(xì)胞時別人的評價?！爱?dāng)時我也不確定自己能不能做出來，但密西根大學(xué)和當(dāng)時課題組的科研環(huán)境很寬松，讓我有繼續(xù)下去的勇氣?！?/p>

緊接著，邵玥開始了在密歇根大學(xué)和麻省理工學(xué)院與哈佛醫(yī)學(xué)院的博士后研究工作。

“我第一次在顯微鏡下看到一團(tuán)未知細(xì)胞時，就想知道這是什么。因為這些干細(xì)胞細(xì)胞似乎比預(yù)期變化得更快，它們甚至在幾天內(nèi)迅速地排列成一個不對稱的圓狀結(jié)構(gòu)。我花了三個月的時間查了很多資料、問了很多專家終于知道了答案 —— 早期胚胎。當(dāng)時，我和我的團(tuán)隊都很興奮，覺得值得繼續(xù)研究下去。要知道當(dāng)時在體外人工培育胚胎是非常困難的，因為胚胎很難存活?！?/p>

“胚胎的發(fā)育速度是很快的，一直處于非常動態(tài)的過程。如何通過調(diào)控培養(yǎng)環(huán)境來調(diào)控胚胎的發(fā)育成了挑戰(zhàn)，也成了我們做出機(jī)械微系統(tǒng)來解決該問題的動力。”

使用機(jī)械微系統(tǒng)誘導(dǎo)干細(xì)胞模擬著床期胚胎發(fā)育的概念與技術(shù)，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(xué)技術(shù)正式走入大眾視野。人類對胚胎早期發(fā)育研究的 “空白” 也開始被填補(bǔ)。

如今的邵玥已是清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所副所長和副教授。當(dāng)年多地求學(xué)的少年也已為人師，邵玥認(rèn)為科研路上找準(zhǔn)問題、分解思維、頂層設(shè)計思維及勇敢是十分重要的思維和品質(zhì)。

談及下一步的研究計劃，邵玥表示，“未來希望通過多種工程化微環(huán)境技術(shù)，提高體外構(gòu)建合成胚胎模型的保真度，讓‘無胚化’人類胚胎學(xué)技術(shù)更加完善和可控?！?/p>

來源：麻省理工科技評論