这些细胞来自小鼠受孕后三天半的早期胚胎。米奇·韦斯（Mitch Weiss）解释说，那时的胚胎看起来像一个沙滩球，一个中空的球，球里面有一小团细胞，它们注定要成为胚胎，整个胚胎，从头到脚的每一个部分。这些细胞在生物学的技术术语中被称为未分化细胞。韦斯是马萨诸塞州剑桥市一家名为Ontogeny, Inc.的生物技术公司的医生和研究员，他用“原始的”来形容它们。他说，它们还没有被“教育”成心脏、肝脏、肺、血液或其他什么。至少在目前，它们是相同的。
一年前加入Ontogeny之前，韦斯在波士顿儿童医院和达纳-法伯癌症研究所工作了十年，治疗和研究儿童血液疾病和癌症。他还说，他研究了血液形成的基本生物学。在人体中，红细胞存活120天，白细胞存活24小时到10年不等；血小板有助于血液凝结，可存活5或6天。所有这些都不断地由骨髓中一种称为造血干细胞的单一细胞类型再生。韦斯说，如果你知道你的身体用来促使造血干细胞分化的化学信号——被称为生长因子，或者更普遍地称为诱导分子——你就可以用它们来帮助你的身体在化疗后快速补充血液和骨髓。你可以为接受骨髓移植的患者制造红细胞，或者为免疫系统因化疗受损的癌症患者制造白细胞。韦斯说，如果我们能找到这样的因子，我们就能帮助很多人。
问题是，你的骨髓中每10000个细胞中可能只有1个是造血干细胞，这使得寻找和研究它们变得困难。另一个巨大的挑战是找到开启和关闭它的诱导分子。所以韦斯正在显微镜下展示他的原始胚胎细胞，指出它们如何生长成微小的初生组织团块，由各种脂肪细胞、肌肉细胞、血细胞和神经细胞组成。
通过取一个这样的“混合物”，将其分解成单个细胞，然后将这些细胞播种到含有一些营养物质和适当生长因子的塑料实验室培养皿中，他可以在实验室中生成纯净的血细胞群。韦斯说：“我第一次这样做的时候，我看着组织培养皿，我说，‘哇，我正在造血。’”
学习血液或其他组织在胚胎中如何形成，然后将这些知识应用于在成人体内重新创造它们，是医学领域最热门的新想法之一。发育生物学家已经证明，在胚胎中刺激细胞、组织和器官分化的相同生长诱导分子在整个生命周期中都发挥着关键作用。这些分子代表着一个药物宝库：如果使用得当，它们不仅可以制造血液，还可以制造神经细胞，例如，替换帕金森病患者体内死亡和垂死的细胞。它们可以制造青少年糖尿病患者体内缺失的胰岛素生产胰腺细胞。它们可以使骨骼在骨折后生长得更快，也许有一天，尽管不会很快，甚至可以再生整个器官。在Ontogeny与韦斯合作的丽兹·王（Liz Wang）称这些计划为“星际迷航幻想”：“你将拥有一个星际迷航式的组织库，这样你就可以说，‘好吧，我需要这种细胞和这种生长因子混合物，这会给我带来这种新型组织。’”
“星际迷航幻想”，以及该领域更温和的承诺，催生了十几家新的生物技术公司，其中Ontogeny是首批之一，也许是最不寻常的。Ontogeny——这个名字的意思是生物从卵子到成年的发育——成立于1994年8月，此前发现了一组被称为“刺猬基因”的基因，它们在指导胚胎发育和生长中发挥着关键作用。五家处于发育生物学前沿的实验室的领导者加入了Ontogeny的科学顾问委员会，由哈佛大学的细胞和分子生物学家道格·梅尔顿（Doug Melton）领导。
来自中西部的梅尔顿于1981年来到哈佛大学，此后一直研究青蛙、小鸡和小鼠，以了解动物是如何发育的。他在攻读生物学之前研究过科学哲学；他选择发育生物学是因为他认为它是周围最引人入胜的学科。对他来说，即使是投资银行家或幼儿园学生也能看着一个卵子，然后看着一个成年人，理解其中的奥秘。他说，一个卵子如何知道制造胚胎或成年人的基本问题，吸引了所有人。
对于人类来说，一个受精卵在几天内会变成一个由几百个未分化细胞组成的微小沙滩球。这些细胞中的每一个都包含一个相同的遗传蓝图——你的DNA，储存在23对染色体上，编码着大约10万个基因——最终将指导你的细胞产生形成你身体所需的构建模块和信号分子。这个故事的关键是，虽然你身体中的所有细胞都包含相同的DNA，但它们会以不同的方式使用它，激活不同的基因组。
发育迅速开始。当胚胎大约两周大时，它启动了分化过程的第一步，即将相同的细胞转变为构成一个完全功能性生物所需的无数类型。首先，胚胎决定哪一端向上，哪一端向下——也就是说，哪一端是嘴，哪一端是肛门。然后，胚胎的细胞发展成三个不同的集合，就像三个互斥的俱乐部：一些变成外胚层，最终发育成皮肤和神经系统；另一些变成中胚层，形成骨骼、血液和肌肉；最后一些变成内胚层，形成（其中包括）从嘴巴一直到下面的内脏器官。内胚层卷曲成一个管子，被称为肠管，一端是嘴，另一端是肛门。你的器官从那个肠管中生长出来。一个区域变成嘴，下面变成咽，然后是甲状腺，然后是肺。你的胰腺将从这个肠管中生长出来，位于胃的隆起和肠道的初生缠绕之下。就这样，从开始到结束，九个月。
发育生物学家现在大致了解发育是如何发生的。遗传蓝图中的某个地方编码了一个公式，说明特定的基因必须在特定的时间在特定的细胞中开启。开启它们，从而导致每个器官、细胞和组织的形成，是一个称为诱导的过程。一个细胞通过发送信号（通常是蛋白质——诱导分子）告诉另一个细胞该做什么。
梅尔顿说，诱导有时会涉及细胞间的接触，但在大多数已经很好理解的情况下，细胞A会分泌一些东西给细胞B。这会改变细胞B的命运，它原本可能是皮肤细胞，现在将成为神经细胞，或者类似的东西。然而，首先，接收到信号的细胞，比如说，要成为神经细胞，必须准备好进行这种改变。生物学家称这种准备状态为“能力”。一个有能力成为骨骼的细胞，即使它接收到神经信号，也不会成为神经细胞。能力是通过更多的蛋白质信号实现的。所以，梅尔顿解释说，早期胚胎充满了不断变化的浓度的诱导分子，有些使细胞具有能力，有些使其走上分化之路，另一些则只是促使更多的细胞发出其他信号。
虽然这听起来很复杂——而人体的创造无疑是复杂的——但告诉身体发育的诱导分子数量是有限的。可能只有100种，所有这些都属于五六个相关的家族。梅尔顿用一个类比来解释它是如何运作的：当我走进一家中餐馆时，我常常惊讶于菜单可以有100道菜，也许200道。但如果你走进厨房，你会发现没有100个锅，可能只有10个锅，厨师混合和搭配食材的方式会给你带来特定的结果。胚胎也是如此。例如，同样的信号会用于制造骨骼，也会用于制造运动神经元。但它们出现在不同的时间和不同的组合中。所以假设有100个诱导分子。身体可以使用这些100个诱导分子通过在A情况下使用1、8、12、14、16，在B情况下使用2、4、9等等来制造10000种细胞类型。
梅尔顿说，Ontogeny及其同行发育生物学公司的理念基于一个简单而广为接受的假设：身体在整个生命周期中都会重复使用这些诱导分子。进化喜欢坚持有效的东西，因此在胚胎中刺激细胞和器官生长的相同分子也将用于维持成年体内的这些细胞和器官。
利用胚胎寻找这些分子是务实的。传统上，当面临成人问题时，制药行业会在成年生物体中寻找解决方案。比如说，你想找到修复骨折的分子，这样你就可以用它们来快速而有力地愈合骨折。Ontogeny的总裁兼首席执行官，多罗斯·普拉蒂卡（Doros Platika），一位前哈佛医学院和阿尔伯特·爱因斯坦医学院的神经学家和基因治疗师说，一种方法是研究未断裂的腿。然后观察断裂的骨骼，看看有什么被激活了。你消除它们共同的部分，然后探索差异，认为差异中会包含你用来修复骨骼的分子。这并没有错，只是当你骨折时被激活的分子很多。它们包括炎症和出血的分子；它们包括疼痛分子；触发修复的分子也在其中。事实上，你正在寻找的分子，那些触发愈合过程的分子，可能在骨折发生时，或一小时后，或三小时后释放；它们可能会停留十分钟然后消失。所以如果你一天后，或者四个小时17分钟后才看，你可能永远也找不到它们。即使你在正确的时间看，这些分子的浓度也可能太小而无法检测。
普拉蒂卡说，在成年人身上寻找信号，就像在非常深的海洋中钓一条非常小的鱼。所以Ontogeny的研究人员转而研究胚胎，那里骨骼在微小的空间里快速生长。在那里，诱导骨骼生长的分子应该以不成比例的巨大数量存在。普拉蒂卡说，这仍然不是一蹴而就的。也许就像在有鱼的池塘里钓鱼，但它仍然是钓鱼。
但发育生物学家已经学会了轻松操控这个“池塘”。梅尔顿说，一个老鼠胚胎就那么大，他用拇指和食指分开大约一英寸。你可以很快地、无关紧要地找出基因在哪里以及何时表达，并立即知道你应该观察成年肾脏、骨骼还是眼睛。此外，你可以从胚胎中取出小块碎片，并在组织培养中培养它们，然后问：“这个分子会制造肌肉吗？这个分子会制造骨骼吗？”
他说，最重要的是，他创立Ontogeny的赌注是，在小胚胎中发现骨骼、胰腺或肝脏是如何形成的，比在成年人身上容易得多，而且在器官刚刚形成时发出信号的分子在成年人身上会一次又一次地被使用。
以刺猬基因为例，1993年在脊椎动物中发现了其中三种。（这个名字来源于果蝇在缺少其中一个基因时呈现出的奇怪、多刺的外观。）当一个细胞开启一个刺猬基因时——也就是说，当基因表达时——基因会产生一种刺猬蛋白，这是一种诱导分子。哥伦比亚大学的发育神经生物学家汤姆·杰塞尔（Tom Jessell）说，这三种蛋白质可以解释脊椎动物胚胎中已知发生的所有发育相互作用的很大一部分，他对刺猬基因的研究使他加入了Ontogeny的科学顾问委员会。你一次又一次地使用这些蛋白质来控制许多不同组织的发育。
这三个基因中最引人注目的是“声波刺猬”（sonic hedgehog），它以流行的视频游戏命名。声波刺猬基因在发育中的胚胎的许多部位都会在不同时间表达。哈佛生物学家安迪·麦克马洪（Andy McMahon）的实验室在这些发现中发挥了关键作用，他也参与了Ontogeny，他表示，它在大脑、牙齿、舌头、食道、肺部以及整个消化道中都有表达。它在男性生殖系统、肾脏甚至皮肤毛发中都有表达。他说，在大多数这些地方，我们不知道它在做什么。我们根据其表达时间以及这些细胞类型通常会发生什么，以及它在其他地方可能在做什么，有一些猜测。
但是当声波刺猬出现在肢体和脊髓中时，这两个发育生物学家研究了几十年的区域，他们有足够的经验来弄清楚它的用途。在发育中的肢体中，声波刺猬负责控制手指的形状和位置。声波刺猬蛋白在发育中的肢体的一个区域分泌，这个区域在人类后期会成为小指下面的肉质部分。（杰塞尔说，这就是你用手刀的地方。）一旦分泌，声波刺猬的浓度随着它在发育中的肢体中漂移而降低。杰塞尔说，这种蛋白质浓度降低似乎是形成五个形状相似但略有不同的手指的原因。
在脊柱中，声波刺猬刺激脊髓本身的生长，然后以不同的浓度刺激各种神经细胞的分化，使你能够感知和移动。在已经预备成为神经细胞的胚胎细胞的组织培养中改变声波刺猬蛋白的浓度，你可以使细胞分化成至少四种神经元。杰塞尔说，这是一种非常经济的方式，可以在提供一个信号分子的同时产生细胞多样性。在成年人中，声波刺猬继续表达，也许是为了保持神经元的存活和功能。
然后是“印度刺猬”（indian hedgehog）和“沙漠刺猬”（desert hedgehog），另外两种脊椎动物刺猬基因。和“声波刺猬”一样，它们都在发育中的胚胎的许多区域表达。“沙漠刺猬”最清楚的作用是调节雄性精子的产生。例如，通过基因工程制造一只没有“沙漠刺猬”基因的小鼠（生物学家称之为基因敲除小鼠），你会得到健康的、有生育能力的雌性，但雄性却不产生精子。“印度刺猬”在生长肢体的软骨发育中起着关键作用。麦克马洪预测，当他们将“印度刺猬”基因从小鼠中敲除时，结果将是一个肢体严重发育迟缓的胚胎。
梅尔顿说，这三种刺猬基因在成年和胚胎中都扮演着关键角色。同样，“声波刺猬”是最诱人的。Ontogeny的神经生物学家纳格什·马汉塔帕（Nagesh Mahanthappa）解释说，在胚胎中，“声波刺猬”是产生发育中大脑中某些神经元所必需的，包括那些产生多巴胺的神经元，多巴胺是一种用于在脑神经元之间传递信号的化学物质。事实上，正如马汉塔帕和Ontogeny的凯文·庞（Kevin Pang）最近所展示的，“声波刺猬”是这些神经元持续生存所必需的，至少在胚胎细胞培养中是这样。在帕金森病中，这些产生多巴胺的神经元会死亡，患者会失去对运动的控制，被困在自己的身体里。目前公认的治疗方法是给予他们一种名为L-多巴的药物，这是一种在大脑中转化为多巴胺的化学物质，但其有效性会随着时间的推移而降低。
Ontogeny的研究人员希望声波刺猬能有所帮助，要么通过产生所需的神经元来产生多巴胺，要么通过改善剩余神经元的功能。马汉塔帕说，最直接的方法是将声波刺猬蛋白注射到帕金森病影响的大脑区域，希望能刺激多巴胺的产生或垂死神经元的再生。马汉塔帕和他的同事们现在正在用动物尝试这种方法。
然而，如果直接的方法不起作用，Ontogeny 的生物学家们准备尝试更具野心的方法：例如，基因疗法。他们会将刺猬基因缝合到无害病毒的DNA中，然后将这种病毒注射到多巴胺产生神经元正在死亡的大脑区域。病毒会感染局部细胞，这就是病毒的运作方式，当它迫使细胞机制复制自身时，它也会让它们分泌多巴胺。最后，还有最雄心勃勃的方法，就是使用声波刺猬在试管中制造神经元，就像韦斯在试管中制造血细胞一样。然后这些神经元可以植入大脑中，研究人员希望它们能在那里开始分泌所需的多巴胺。
即使是小小的成功也会帮助病人。马汉塔帕说，帕金森病是一种进行性疾病，当患者实际出现在医生办公室并表示有问题时，他们已经失去了该人群中约80%的多巴胺能神经元。因此，保守地说，声波（刺猬基因）只会维持剩余20%的存活，使其不低于这个水平。这对这些患者仍然具有治疗意义。
印度刺猬基因也显示出治疗前景。Ontogeny正在研究使用印度刺猬蛋白来修复软骨或强化骨骼。丽兹·王说，在那些年轻时运动撕裂膝关节软骨，30年后寻求膝关节置换手术的人中，市场很大。由于撕裂的软骨必须切除，关节失去了全部的缓冲和润滑。王说，如果你能让软骨生长并修复膝关节内部，那会非常好。但即使是暂时性的，也仍然有用。如果它能保持五年或十年，你就不必再等十年左右才用钛植入物替换你的正常膝关节。哈佛医学院的克里夫·塔宾（Cliff Tabin）已经证明，当胚胎被迫产生额外的印度刺猬时，它会产生比平时更多的软骨。印度刺猬是否能用于诱导成年骨骼制造软骨仍有待观察。印度刺猬蛋白可以直接应用，或者可以对病毒进行基因工程改造，使其将印度刺猬基因带入骨骼。
最后是沙漠刺猬，其最明显的发育作用是产生精子。在成年雄性中，这种蛋白质似乎对维持精子产生是必需的。普拉蒂卡说，如果研究人员能找到一种方法来提高沙漠刺猬的产量，他们可能会增加精子数量低和不育男性的精子产量。另一方面，如果他们能关闭沙漠刺猬，结果可能是一种男性避孕药，其中所有重要功能都正常，但没有精子产生。
然而，Ontogeny 的雄心远不止于刺猬基因。毕竟，身体还使用至少 100 种其他诱导分子来刺激胚胎发育。Ontogeny 的研究人员正在努力寻找这些分子在创建细胞或器官中扮演的角色，这些细胞或器官可能在成年疾病中缺失或功能失调。
糖尿病是这种方法如何运作的最佳例子之一，也是Ontogeny生物学家们认为最接近解决的疾病。在青少年糖尿病中，由于胰腺中通常产生胰岛素的细胞（称为胰腺β细胞）被破坏，身体缺乏胰岛素。胰岛素注射是糖尿病的标准治疗方法，但它无法有效替代能根据身体需求平衡分泌激素的功能性胰腺。
Ontogeny的研究人员希望能找到β细胞的祖细胞以及制造它们的因子。凯文·庞说，我们知道胰腺在怀孕初期就开始形成。但它需要几乎整个妊娠期才能发育成熟。所以庞和他的同事们正在实验室中培养小鼠胚胎，每天从正在形成胰腺的区域取出细胞，并检查哪些基因被激活以及何时开始产生胰岛素。如果他们能解开胰岛素生成β细胞发育所需的信号，他们也许就能在实验室中培养这些细胞，将其封装在膜中，然后注射到体内。
虽然 Ontogeny 的糖尿病项目不如一些刺猬基因研究那样进展迅速，但它有一个巨大的优势：它没有其他疾病普遍存在的并发症。例如，即使 Ontogeny 的生物学家们制造神经元来替代帕金森病患者缺失的神经元（他们已经为啮齿动物做到了），那也无法告诉他们如何将神经元植入大脑，连接到正确的突触，并使其真正发挥作用。杰塞尔说，即使你知道如何制造某种神经元，你也不能在神经退行性疾病中利用这种细胞类型来恢复功能，因为还有十个后续步骤。糖尿病项目最大的吸引力在于，这些次要的限制都没有那么尖锐地适用。你不需要在任何特定位置分泌胰岛素。如果你能制造一个β细胞并将其放回体内，无论放在哪里都无关紧要。身体和循环系统会处理好这一切。这些次要问题更容易解决。
如果Ontogeny的研究人员找到了解决这些次要问题的方法，下一个问题将是他们能将这种发展方法推向多远。梅尔顿说，显而易见的步骤是从制造新细胞——例如神经细胞、骨细胞或胰腺β细胞——发展到培育组织，并最终培育出完整的器官。有了正确的祖细胞和正确的生长因子混合物，Ontogeny的研究人员理论上可以培育出他们想要的任何器官。从尸体中获取膝关节韧带或等待心脏移植将成为过去。研究人员相信王的“星际迷航幻想”是可能实现的，但他们也深知其中的障碍。梅尔顿强调，制造一个新心脏的想法还需要几十年，而不是几年。
他说，我会从尝试制造心肌细胞开始，然后看如何将它们塑造成心肌组织，然后考虑制造器官。有些人喜欢立即尝试制造器官的想法。我不想说考虑器官发育是疯狂的。我不认为它是。我只是认为现在的挑战是从细胞开始。
