由北京大学科学技术与医学史系开设的《当代科技史》系列课程第八讲于11月26日开讲，中国工程院院士、美国人文与科学院外籍院士、北京大学医学部常务副主任、北京大学第三医院院长乔杰教授为同学们带来了精彩的一课——《辅助生殖技术的发展》。
学习科技史的意义何在？
乔杰老师首先从一名妇产科医生的视角，分享了自己对学习科技史的重要性的认识。乔老师在带着年轻医生做实验时，在一代代传承、发展的过程中发现，要解决疑难问题，了解科学进步的过程是很重要的。这种技术是何时产生的？技术的产生是因为具备了怎样的条件？出现突破的切入点是什么？人们继而如何发展这项技术？在技术蓬勃发展的过程中遇到了怎样的限制？
用发展的视角从头探寻一项科学技术的起源、了解其发展轨迹是系统学习某个领域的重要内容，更是追求事物“本质”的思维方式。科技史不会具体指导一项技术操作，但在研究科技史的过程中，技术发展规律和未来可能走向是它能带给人们的点拨和启示。而在学习科技史的过程中会发现，很多根源问题可能在技术诞生之初就已存在。
科学技术发展路径的规律
乔老师所从事的是辅助生殖技术，也就是帮助人类繁衍、生殖的技术。在本节课中，乔老师将以辅助生殖技术为例，帮助同学们认识、理解科学技术发展路径的规律。
01 自然生育过程及其遇到的问题
生命的孕育是非常奇妙的过程。人类生命的起源，开始于精子和卵母细胞的形成，它们带着父亲和母亲各一半的染色体，在输卵管内相遇，结合成受精卵后在子宫内着床，在母亲的孕育下慢慢生长发育。这个过程看似简单，但其中的任何一个要素出现问题，自然生育妊娠过程都不会顺利进行。
孕育生命的要素
我国的不孕不育率约为15% ，不孕夫妇约有1200-1500万对，自然妊娠人群中流产率高达10%左右。导致自然生育出现问题的因素有很多。很多夫妇由于“种子”数量少或质量差、“土地”贫瘠以及“环境”不宜的问题，而“不能生”。比如女性的排卵异常、输卵管损伤或堵塞，男性的精液质量低、性功能障碍等。
自然生育面临的问题
除了“不能生”之外，还有许多夫妇面临“生不好”的问题，包括高龄生育导致母儿风险增加，各种遗传病的存在，以及各类突发重大公共卫生事件的影响，比如03年的非典、12年的MERS（中东呼吸综合征）以及今年的COVID-19。2020年因为新冠而变得十分特殊，新冠肺炎疾病对整体世界的政治、经济产生了重要的影响，人们对健康也有了更深刻的认识。最近总书记在科技工作者的座谈会上，把过去的“三个面向”改成了“四个面向”，第四个面向就是“面向人民生命健康”。其实前面的三个重大需求都有生命健康因素在里面，但是这一次把生命健康单独提出来，说明了对人民生命健康的高度重视。像这样的重大公共卫生事件，是无法预料的，也会对生育过程产生影响。
高龄生育导致母儿风险增加
遗传病
02 辅助生殖的萌芽
自然生育存在问题，人们选择向医生求助，辅助生殖技术就这样产生了。
辅助生殖技术是什么？辅助生殖技术(ART)是指通过对卵母细胞或者胚胎进行体外操作，帮助不孕夫妇达到妊娠的目的的相关技术流程。辅助生殖技术最初只有一种，随后发展出了许多相关的技术，所以也叫辅助生殖技术及衍生技术，可以从不同原因上帮助解决生殖问题。
辅助生殖技术的“艺术”（ART）
发展辅助生殖技术的基础是，了解人类的生殖细胞。直到现在，我们对生殖细胞和生育过程的了解仍旧是有限的。在辅助生殖技术出现之前，一些科学家早期对动物的研究为人类生殖的认识奠定了理论基础。其中很重要的是美籍华人张明觉先生。
张明觉先生与他的动物研究
张明觉是山西省岚县人。上世纪50年代初，他与人合作共同发明了以甾体激素为基础的口服避孕药，至今仍为全世界妇女所采用，故被称为“避孕药之父”。1950年，他成功地移植了兔的受精卵，提出卵龄和子宫内膜发育必须“同步化”的概念，为家畜的胚胎移植和良种培育提供了理论根据。1951年，他发现“精子获能”的生理现象，同年澳大利亚学者奥斯汀博士也在实验中发现相同现象，国际生理学界把他俩的研究成果命名为“张-奥原理”。这一现象的发现解开了精卵受精之谜，为哺乳类卵子体外受精成功奠定了理论基础。1959年，他首先报道兔卵的体外受精获得成功。这被认为是辅助生殖技术的重要里程碑，为人类的体外受精奠定了理论基础。迄今为止，多种动物卵子的体外受精及其技术上的改进都源于他的首创性研究。
罗伯特•杰弗里•爱德华兹教授(Robert Geoffrey Edwards)
第二个非常重要的人物是体外受精之父——罗伯特•杰弗里•爱德华兹(Robert Geoffrey Edwards)。爱德华兹研究的主要内容是卵子的体外受精，这需要从雌性小鼠体内收集一定数量的卵子，然而小鼠一般喜欢在午夜排卵，因此爱德华兹的工作常常持续到深夜。后来在借鉴他人工作的基础上，爱德华兹与鲁思•福勒（Ruth Fowler)合作开发了一种新的方法，为雌性小鼠注射一定量的激素，这样不仅可控制小鼠排卵时间，还可以控制小鼠排卵的数量，该方法被称为“福勒-爱德华兹法”。这种方法避免了深夜取卵的麻烦，为研究生殖过程的早期问题奠定了坚实的技术基础。爱德华兹还发现了促使休眠卵子体外成熟的方法，解决了一些体外受精的关键步骤。然而在此之后爱德华兹的工作开展的并不顺利，直到1962年张明觉成功完成体外受精，才激发了爱德华兹的实验灵感。他用其他哺乳动物的卵子进行实验，证明了这种方法的可行性。这些工作使爱德华兹于1965年决定研究人的卵子体外受精。
但是怎样把卵子从女性的身体里取出来呢？在微创手术发明之前，做腹部手术对病人来说是很痛苦的，要切开腹腔，完成后再缝合起来，切口就像蜈蚣一样一直趴在肚皮上，阴天下雨的时候都会感觉很难受。爱德华兹从杂志上了解到，英国奥海姆一家小医院的妇产科医生帕特里克•斯特普托(Patrick Steptoe)发明了腹腔镜技术，可以在不损伤妇女的情况下观察女性生殖道。于是从1966年起，两人开始着手研究，当女性出现输卵管堵塞时的替代受孕方法。
爱德华兹为了和斯特普托一起研究，常常要从自己的实验室跑到奥海姆的小医院里。乔老师回忆，爱德华兹2002年到中国来的时候，讲起这段往事，他说自己实验室到小医院来回的路程能绕上地球半圈了。但是对科学的热爱以及对这件事的兴趣让他们坚持了下来。在研究期间，他们遇到了从未想过的种种困难。尽管哺乳动物体外受精技术已经非常成熟，但在人体上的试验还有许多关键问题还没解决。爱德华兹和斯特普托经过18个月的努力才最终成功从不育妇女卵巢中获得有活性的卵子，并首次在体外实现了受精，而且令人兴奋的是他们在1971年获得了有活性的人类胚胎，这是爱德华兹研究中一次重大突破。然而之后的研究又再次面临失败，他们将胚胎植入母体并成功怀孕，但植入的是输卵管而不是子宫，因此不得不终止妊娠。
经过多次失败，终于在1976年，爱德华兹遇到了布朗夫妇。这是一对非常勇敢的夫妇，布朗太太的输卵管不通，失去了自然做母亲的机会，只能通过辅助生殖的方式获得自己的孩子。布朗夫妇想要孩子的强烈愿望、以及愿意为科学献身的情怀，为他们成功孕育世界上第一个试管婴儿埋下了伏笔。1977年11月9日，布朗太太开始排卵，第2天，斯特普托成功获得一枚卵子，并在体外实现了人工授精，随后医生将受精卵植入布朗太太的体内，幸运的是这次试验非常成功，布朗太太顺利怀孕，并且胎儿发育一切正常。1978年7月25日，激动人心的时刻终于到来了，世界上第一个试管婴儿——路易丝• 乔伊• 布朗(Louise Joy Brown)诞生了。小女孩的诞生宣告人类体外受精技术取得胜利。
（左）生理学家Robert Edwards（右）妇产科医生Patrick Steptoe | 摄于1978年7月25日
爱德华兹和斯特普托在回忆完成世界上首例试管婴儿实验的艰辛过程时，曾数次提到了张明觉的名字。当年他们曾经历过几百次的失败，当读到张明觉的研究论文时，得到了很大的启发帮助。所以，当路易斯·布朗出世时，有报道将她称为“张明觉的女儿”。
首例试管婴儿的诞生引起了媒体的强烈关注，也收到了很多质疑和批评，主要是担心人造的生命可能会破坏人类社会的伦理关系，也担心会培养出畸形的孩子。甚至被誉为“DNA之父”的生物学家詹姆斯·沃森也曾严厉批评这项工作的“错误不可避免”。成年后的路易斯出版过一本自传，讲述了她的父母收到的各种“恐怖包裹”。反感人工授精的激进主义者，曾向布朗家邮寄玻璃试管碎片、塑料胎儿和用血液般的红色颜料写的“试管婴儿保修卡”。当然，布朗一家也拥有万千“粉丝”，大多数都是不孕女性和受益于体外受精的不育家庭。
爱德华兹和成年后的路易斯
所以辅助生殖技术的伦理问题、安全问题，与技术本身的有效性是同样重要，且从技术诞生一开始就存在的，所以在技术的发展以及技术的延伸中，一直都在思考这些问题。科学家、人文学家和社会学家都在反思这样的技术是否可以应用，但是因为不孕对家庭和社会造成了太深刻的影响，所以经过各种科学的论断，大家认为辅助生殖技术是相对比较可靠的。可以看到，从1978年第一例试管婴儿诞生之后，辅助生殖技术在英国、澳洲、美国逐渐开始实施，并且在应用技术的过程中，人们对这项技术的认识不断加深，并且做了更多的自主探索。
03 中国的辅助生殖技术
地区大陆第一例试管婴儿的缔造者是张丽珠教授。她1921年出生于上海，1946年9月乘船东渡美国做留学生。巧合的是，张丽珠教授和北京大学化学界的泰斗唐有祺先生同乘一艘轮船赴美，在美国学习工作后又同乘一艘船返国，但当时彼此却不认识。后来经友人介绍，因为志同道合，两人结为连理，之后几十年相濡以沫。
张丽珠教授
张丽珠教授先后在哥伦比亚大学医学院、纽约大学医学院作博士后研究和进修妇产科内分泌学和局部解剖学，以后又去约翰·霍普金斯大学医学院学习了妇科病理和妇科手术，最后又在纽约医院及纽约肿瘤纪念医院的Sloan Kettering肿瘤研究所做住院医师及肿瘤早期诊断研究，发表了论文“体液细胞学和早期癌瘤的诊断”，这在当时属世界先进水平。由于张丽珠在肿瘤研究方面的成就，1949年4月受到英国伦敦玛丽·居里医院的邀请，又横渡大西洋到了英国。此后还在海克内医院做妇产科总住院医师。1950年10月通过英国国家考试，获得英国皇家妇产科学院资格（DRCOG）。在英国，除作临床和癌症病理外，张丽珠教授选取了子宫收缩力和外阴白斑两个课题进行研究，并收集妇科、产科各50个病例，准备把妇产科学研究深入下去。工作研究之余，她还考察了西方社会化的医疗制度。
1950年回国后，张丽珠先后在国内几家医院的妇产科工作过。1958年，她参与了北京大学第三附属医院的创建，一手建起了北医三院的妇产科。张丽珠教授在治疗生殖内分泌疾病的同时，接触到大量不孕不育患者。当时对不孕症的治疗并不是医学的主流，但张丽珠教授认为这是病人所需要的，因此花了很多精力带学生做这方面的研究，并在上世纪70年代建起了国内最早的生殖内分泌实验室。1978年张丽珠教授喜闻世界第一例辅助生殖试管婴儿诞生，于是带领北医三院联合湖南湘雅医学院、协和医院向卫生部提出申请，研究试管婴儿。于是“人类早期胚胎的保护、保存和发育的研究”项目诞生，并被列入国家“七五”攻关项目。
当时北医三院的条件非常简陋，取卵针是从国外带来的，用钝了就去三院对面的钟表店磨一磨；医生们许多次揣着给病人送饭的保温瓶走过北医操场；北医唯一的一台显微镜，要和其他研究小组一起用；保温箱是国际友人赠送的，快报废了还在用……就是在这样艰苦的条件下，张丽珠教授带着自己的团队成功迎来了中国大陆第一例试管婴儿。
取卵针、保温瓶、显微镜和保温箱
第一例试管婴儿的母亲是来自甘肃礼县盐官镇的郑桂珍。她结婚20年不能生育，为了要个孩子，她几乎试遍了各种中药、西药，但始终没有好的结果。后来经检查发现，是幼时一次结核菌感染造成了她的输卵管堵塞。她通过收音机听到北医三院正在做试管婴儿方面的研究，便同丈夫收拾行囊，果断赴京，后又花了不少功夫打听到北医三院，由此成为了张教授试着治疗的第十三例病人。十三这个数字也成为北医三院生殖中心的幸运数字。
乔杰老师回忆，在攻克试管婴儿过程中，张丽珠教授一直非常严厉，从她进入妇产科以来几乎没有见到张教授笑过，但在第一例试管婴儿诞生的那一刻，张丽珠教授终于绽放出最灿烂的笑容，成为历史性的经典时刻。
张丽珠教授与中国首例试管婴儿
北医三院妇产科工作人员与首例试管婴儿及家人的合影
在首例试管婴儿成功之后，临床中之后依然会遇到一些失败。但首例的成功为辅助生殖技术的蓬勃发展做了很好的铺垫，同时各领域技术在辅助生殖中的应用，逐渐推动辅助生殖技术迎来了遍地开花的时代。
04 辅助生殖的蓬勃发展
从世界首例试管婴儿的诞生到现在，各类辅助生殖技术快速发展，包括植入前遗传学诊断、单精子卵胞浆注射、冻存技术等，目前全世界通过辅助生殖技术诞生的婴儿已经超过800万。
辅助生殖技术的发展历程
乔老师表示，辅助生殖技术的迅猛发展，离不开患者需求的推动。最初的常规体外受精（IVF）可以治疗女性输卵管因素不孕症患者，也就是输卵管结扎或炎症造成的输卵管不通畅及宫内膜异位症、免疫性不孕症等情况；单精子卵胞浆注射（ICSI）可以治疗严重男性因素不育症患者，如严重的少、弱、畸形精子症，严重的精子顶体异常，通过睾丸或者附睾取精手术可以获得成熟精子的无精子症患者；植入前遗传学诊断（PGD）可以帮助有遗传病家族史、反复不明原因妊娠失败患者等。这些技术的发展不仅具有医学价值，也有很高的社会意义。ICSI让少精的男性能拥有自己的孩子，PGD极高地阻断了遗传病的代际传递，这些技术为面临自然生育问题的家庭带去了圆满。
患者的需求为技术的发展提供了内在推动力，而其他领域的技术进步则为辅助生殖技术的发展提供了实现的途径。显微镜的发现让人们可以看到卵细胞，现在的电子显微镜可以看到体积更加微小的病毒，还能配合染色技术为细胞留影。另一个技术交叉的典型例子是胚胎的遗传学检测。胚胎植入前遗传学检测（PGT）是指通过辅助生殖技术体外获得早期胚胎，分离一个或几个细胞进行遗传分析，挑选正常的胚胎移植回母体，获得健康后代，避免遗传病患儿出生。但这一技术存在的问题是，它是胚胎单细胞水平上的检测技术。对于一个细胞群里的检测，单个细胞的信息常常会被掩盖，而对单个细胞的检测，往往又因为基因组样本过于稀少，不能达到检测的目的。所以单细胞基因组扩增技术应运而生。胚胎诊断技术建立在单细胞基因组扩增测序的基础上，目前单细胞扩增联合高通量测序的技术，无论在检测成本，效率和检测准确性上，较之前单个位点PCR、FISH、以及芯片技术，都有显著的优势。
高通量测序技术与各类细胞图谱计划
2013年，单细胞测序技术成为Nature methods年度技术，单细胞基因组和转录组测序方法正在生物发育、癌症及神经科学方向掀起新的波浪。谢晓亮教授是这一技术的最前沿专家，研发了新的单细胞基因组扩增技术，应用于胚胎遗传诊断；另外，汤富酬教授建立了单细胞转录组，甲基化组、环形RNA测序技术，并应用于胚胎研究。2015年，乔老师的课题组联合谢老师、汤老师课题组进一步开发出了MARSALA技术，用于胚胎植入前遗传学检测，操作简便，并且具有很高的准确率，可一步测序实现胚胎中突变位点检测、CNV检测、突变位点连锁分析三重诊断。就是这样一个由化学家、生物物理学家、临床医生组成的多学科背景、不同切入点的团队合作，最终碰撞出了这项遗传学检测新技术。MARSALA技术可以应用于两百余种致病基因的诊断，包括马凡综合征、Cockayne综合征、黏多糖贮积症等。利用这项技术，许多有遗传病基因家庭诞生出了健康的宝宝。
MARSALA技术可用于上百种致病基因诊断
05 理念变化指导技术发展
在辅助生殖技术中，取卵方式经历了从有创到微创的进步，胚胎检测也经历了从微创到无创的发展。从最开始的开腹取卵，微创的腹腔镜取卵，到在阴道B超引导下卵泡穿刺取卵。目前，仅使用囊胚培养液中DNA对胚胎进行检测的方法还在研究中。但总的来看，技术的不断发展减轻了病人的痛苦，也减少了成本和医疗支出。
对待不孕症的理念也在不断发生着变化，从被动的治疗到主动的预防。从治疗不孕症，到对女性和男性的生育力进行评估，获通过采用手术、药物或辅助生殖技术等医学技术，对存在不孕不育或高风险的成人或儿童提供帮助，保护保存其生殖细胞或组织及生殖系统功能，并获得遗传学后代。对于生育力的保护保存，很重要的一个分支是低温生育学。对于有不孕问题的患者，冷冻生殖细胞可以避免多次取卵的风险，也能预防因年龄增长而导致的生殖细胞活性下降；对于肿瘤患者等治疗方式会损害生殖细胞的患者，提前冷冻生殖细胞可以保留正常的生物功能，也就给了患者一个延续后代的希望。
但在冷冻卵母细胞时存在许多问题，最常见的就是“溶液效应”。溶液效应指的是，慢速冷冻时，冰核逐步形成于细胞外，产生的大量胞外冰晶会使得细胞内外溶质的浓度差增大，引起细胞内外渗透压差异。为保持渗透压平衡，细胞内液外渗，从而致使细胞脱水和皱缩。细胞脱水又可使电解质浓度进一步升高，酶的活力也因此受到冷冻干扰，从而促使细胞中毒和损伤。乔老师的团队其中一个研究方向是冷冻技术的改进，已经取得了很好的效果。她们对卵母细胞冷冻保存技术改良，目前已经转化应用。
随着从单学科到多学科的交叉融合，辅助生殖技术已经形成了由基础学科和临床学科组成的学科群，另外还有心理、社会等人文方面的影响。这已经不是一个人论英雄的时代，而是团队协作取得的成绩。在辅助生殖技术的发展中，每一发育阶段都还有更多内涵需要不断研究，更多探索。
06 辅助生殖技术的规范化探索
经过四十余年的发展，对辅助生殖技术应用范围底线、安全性和伦理问题等的质疑和讨论从未停止过。对辅助生殖技术安全性的担忧包括短期内母体和胎儿的安全，以及长期内胎儿的出生缺陷、生长发育、智力问题等。纵观目前的人口情况，随着民众生育意愿降低，我国的“倒金字塔”型人口结构情况加剧；而辅助生殖技术的服务量持续上涨，且其中不乏高龄产妇。在这种情况下，针对辅助生殖技术安全，我们能做什么？乔老师认为，需要持续紧抓辅助生殖技术安全管理，开展辅助生殖技术安全性临床队列，进行各类ART技术安全性基础研究。
辅助生殖技术安全性越来越受到国家重视。2001年，国家发布了《人类辅助生殖技术管理办法》；2007年5月，原卫生部发布《卫生部关于加强人类辅助生殖技术和人类精子库设置规划和监督管理的通知》；2015年5月，发布了《国家卫生计生委关于规范人类辅助生殖技术与人类精子库审批的补充规定》；2019年，《生物医学新技术临床研究和转化应用管理条例（草案）》对外征求意见。现在已经有许多相关的法律法规和规范性文件，由于北医三院是最早施行辅助生殖技术的，在规范化这方面也走在前列，已经成立了专门的辅助生殖技术质量管理专家组。
辅助生殖技术的安全性受到很多因素的影响。接受辅助生殖的人群自身可能有潜在的遗传因素，接受ART治疗的不孕夫妇往往存在生殖系统疾病、遗传病等不良遗传学背景；另外还有生育年龄的影响，特别是母亲的年龄是子代遗传安全性的最关键影响因素之一，这也是不孕夫妇借助ART技术的重要原因。另一个是辅助生殖技术的操作特点，配子发生以及胚胎发育过程是表观模式建立的关键时期，表观遗传会不会在这个过程中起到一定影响，这仍然不是完全明确的。
最后探讨一下伦理问题，这些现代化技术给患者带来福音的同时可能会带来什么样的伦理问题？在今年举办的第二届世界科技与发展论坛上，展示了前期调查得出的最受人们关注伦理问题，其中就包括基因编辑技术、辅助生殖技术和人类嵌合体等。实际上，科学跟伦理的交锋一直存在，基因编辑在肿瘤和一些免疫疾病上确实起到了一定作用；而胚胎编辑可能造成的未来影响则并不清楚。但明确的是，科学的双刃剑不能将科学实验凌驾于人类的伦理道德之上。除了基因编辑，冻卵问题、代孕问题等也都需要我们不断明辨。应该说，我们要更多地遵循社会公俗和相对意见的统一。每个技术进步的同时都会存在相应的伦理问题，在不同的阶段可能也有不一样的认识，但确实需要让技术更多地给人类带去幸福，且努力减少它可能带来的问题。
这也是我们设计这门科学史课程的目的。通过回顾历史，我们看到社会对科技和技术的需求，也能明白在技术进步的同时又要关注的真理是什么。我们或许只能了解到事物的一个侧面，而不是完整的情况。推动技术进步的理念的变化也同样符合社会的伦理、原则和法律、规范，未来也希望能探索更多的技术，帮助人类更好地生存。
从历史到未来，我们每一个关键的结点，都是从量变到质变的过程。乔老师用萌芽、蓬勃和规范这样的循环往复来形容新技术的出现和发展，也希望同学们能更多地推动科学技术的发展，给我们社会的未来带来更多希望！
图文来源：乔杰院士的讲座实录和ppt
《当代科技史》系列课程第十讲
今晚6:40 北京大学校本部309
让我们跟随张藜老师一起
了解共和国科技发展的路径选择与特征
纪要整理| 韩明月
摄影| 张雪梅
编辑| 张雪梅
