2013年发育生物学家Magdalena Zernicka-Goetz正在追逐世界纪录。她和她在英国剑桥大学的同事们试图在实验室里培育人类胚胎，计划花费比以往任何时候都长的时间。他们希望深入了解一小块细胞团如何将自身转化为复杂多样的结构。
研究开始于不需要进行体外受精（IVF）的妇女捐赠的胚胎。将细胞浸泡在一种特殊的培养基置于培养箱中，使用的方法改编自他们以前在小鼠胚胎方面的工作。由于样品必须保持在严格控制的环境中，科学家们每天只能将更换培养液一次到两次，以便在显微镜下跟踪它们的进展。六天，七天，八天过去了，胚胎持续茁壮成长发育。每一天都越来越令人兴奋，研究小组第一次尝试达到了12天，最终达到了13天。
他们的研究进展，是过去五年中人类早期发育研究取得的一些成就之一。研究人员对人类胚胎的获取一直是有限的，他们对早期转化的了解相对较少。但现在，细胞培养方法的改进使他们能够在体外培养人类胚胎长达两周。科学家正在使用基因编辑技术，如CRISPR，并建立人工胚胎样结构，以探索塑造胚胎及其支持组织的细胞信号和物理力。这些技术正在阐明早期发育的关键过程，例如植入——当微小的胚胎嵌入子宫壁并且无法直接研究时。新的高分辨率数码成像详细揭示了肌肉和神经在几周后的发育过程中如何生长。这些发现可以更好地了解出生缺陷和发育障碍是如何产生的，以及为什么有些怀孕会失败。
在整个动物界许多早期的发育过程都非常相似，每个物种在这里调整一些基因或在那里发出信号。在哺乳动物中，科学家们研究的小鼠分子指导手册最多。小鼠繁殖快，并且被认为是研究人类胚胎发育的一个合适的替代者，许多早期的细胞类型和组分在两个物种中看起来是相似的。加拿大多伦多儿童医院的发育生物学家珍妮特说：“由于我们已经能够稍微探索人类早期发育，所以很明显小鼠和人类胚胎相似，但不一样。”由于人体组织供应有限，科学家们已转向高效基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，以探索胚胎发育的早期阶段。部分由于围绕胚胎遗传修饰的伦理性问题，到目前为止只有少部分获得了进行此类研究的授权。
在繁殖到200个细胞后，小胚囊必须嵌入子宫壁才能存活。但是一旦发生这种情况（大约第七天），科学家们很大程度上无法研究它的发展。从20世纪70年代末开始，伦理学家和科学家们就集中讨论了“14天规则”，该规则将对人类胚胎的研究限制在受精后的两周内，这段时间是神经系统出现的第一个迹象，也是胚胎分裂的最后一个时刻。迄今为止，国际公认的14天规则只是一个假设的限制。
Zernicka -Goetz的团队和Ali Brivanlou 团队报告了第一批培养人类胚胎12-13天的培养系统。研究人员表明，通过适当的生长因子和营养混合物，培养的人类胚胎可以“植入”培养皿的底部。值得注意的是，胚胎不需要任何母体组织来触发植入后发生的早期重塑步骤。紧贴在盘子上的胚胎比真实的更平坦。在最新的实验中，胚胎附着在培养皿上后，外层细胞开始分化为早期胎盘和支持胚胎生长的其他细胞类型。在内部，细胞似乎发育成胚胎本身和卵黄囊的前体——一种向胚胎供血的早期结构。在将近两周之后，两支研究团队按照14天的规则结束了实验。到那时，一些胚胎的发育停滞不前，但研究人员表示，这些培养系统可以帮助发现胚胎前两周的更多细节。在原肠胚形成的过程中，第三周发生了几个关键事件。胚胎开始形成一个身体轴线，一端注定要成为头部。细胞开始迁移并分化成三层，最终会产生身体的所有器官和组织。这一过程的重要性是将道德限制强加14天的主要原因。
但一些研究人员正在寻找替代方法，使用人类干细胞技术构建合成胚胎样结构，这些结构未被14天规则所涵盖。这些构建体缺乏完全发育所必需的某些组分，并且如果植入则不能产生人类。Brivanlou，Eric Siggia和同事使用特殊生长的人胚胎干细胞模拟体外原肠胚形成。他们发现，当干细胞被限制在以几百微米宽的圆圈生长时，它们会分化成一个公牛眼图案，其中包含三种主要细胞类型，这些细胞类型会产生未来身体的所有部分。在几乎所有动物中，从扁虫到灵长类动物，已经发现这些细胞类型具有相似的作用：中心的细胞变成皮肤，大脑和神经系统；在下一个环分化成肌肉，血液，骨骼和各种器官；外环分化成消化道和呼吸系统。扁平环看起来不像真正的人类胚胎中形成的3D三层三明治，但在细胞和分子水平上，该构造完成了研究人员的预期。
Brivanlou，Siggia及其团队证实干细胞能够感知它们在圆形菌落中的位置，并据此调整它们对称为生长因子的分子的反应，帮助形成细胞的离散区域。并进一步采用该系统，用生长因子的组合处理这些类型的菌落会诱导“组织者”细胞的形成。在动物中，这些特殊细胞引导它们的邻近细胞形成头尾对尾轴。但是，由于14天规则，科学家从未见过人类“组织者”细胞的行动。鉴于使用人类胚胎的伦理和技术限制，Brivanlou转而将假定的人类组织细胞簇移植到发育中的鸡胚上，并观察嫁接细胞将鸡细胞发育成第二个鸡神经系统。
关于早期人类发展的许多研究都集中在胚胎本身，但许多其他组织对其生存至关重要。这些包括容纳胚胎的羊膜囊和提供氧气和营养素的胎盘。为了更好地研究羊膜囊是如何发展的，研究人员创建了一个使用人类干细胞的模型。密歇根大学的发育生物学家Deborah Gumucio和生物工程师Jianping Fu表示，当他们在凝胶床上培养人类干细胞并用天然支架分子包围它们时，这些细胞自组织成一个像羊膜囊一样的团丛。大约24小时后，打开一个孔，随后，细胞开始在一侧变平并在另一侧伸长，这是导致原肠胚形成的过程的特征。
随着一些实验室开发出这些日益复杂的称为胚胎的合成模型，伦理问题开始浮现。由于胚胎的早期日子变得更加清晰，因此对道德限制的讨论也是如此。Zernicka-Goetz和Brivanlou的扩展实验使一些人认为重新评估14天规则的利弊的时机已经成熟。莱斯大学贝克研究所健康与生物科学中心主办了30位美国科学家，伦理学家和其他专家的会议，包括Brivanlou和Johnston，讨论是否以及如何移动界限问题。为什么这么多人都有道德上的疑虑，它提醒我们，这不仅仅是培养皿中的几个细胞。随着这项研究成果的积累，技术的进步激发了科学家们的迷恋和不安。
