重回生命起点，清华团队发现了什么？

宇宙

从炽热、致密的早期状态不断演化

逐渐形成星辰万物

生命的发育

也有一个令人着迷的起点：

一枚受精卵

蕴含着发育为完整生命个体的潜能

从“一”到“万物”——复杂而有序的世界，如何从最初的起点徐徐展开？

这是人类千百年来的追问，也是清华大学药学院丁胜教授团队十年来持续探索、不断求解的科学命题。

10月14日，丁胜团队在《自然》（Nature）在线发表重要研究成果：从化学诱导全能样干细胞（ciTotiSCs）出发，构建出能够连续经历多个早期发育阶段的小鼠胚胎模型。

心脏组织开始有节律地收缩，血管逐渐形成网络，血细胞也进入正在发育的心脏区域……一个复杂的生命系统，正在从单一细胞徐徐展开。

Nature网站论文截图

审稿人评价：“该研究是干细胞领域的一项重要进展，为理解哺乳动物早期发育规律、探索全能性细胞的发育潜能以及建立更高保真度的胚胎模型提供了重要的路径。”

01

向后追寻：回到生命的起点

“细胞的命运各有不同，但生命的起点只有一个”

近三十年来，丁胜一直致力于细胞命运调控研究。从合成化学到运用化学小分子影响细胞分化与重编程，他始终关心一个问题：细胞的命运是怎样被决定和改变的？

随着研究深入，他开始把目光投向更早的阶段。细胞可以形成大脑、心脏、血液等不同组织，但这些不同的命运，最初都可以追溯到生命发育的起点。

“细胞的命运各有不同，但生命的起点只有一个。”丁胜说。

如果把生命发育看作一条不断向前延伸的道路，细胞分化便是在这条道路上走向不同的方向。

那么，能不能沿着生命发育的来路，向后退，再向后退，直到回到最初的起点？在那里，一个具有全能性的细胞，蕴含着发育为完整生命个体的潜能。

药学院副研究员、论文共同通讯作者马天骅打了个比方，“像一棵大树，无论多么枝繁叶茂，硕果累累，都可以追溯到最初的那粒种子。生命也是如此，大脑、心脏、血液等看似截然不同的组织，最初都源于同一个起点。我们希望做的就是回到最初的起点，探索其中蕴含的潜能与规律，弄清复杂的生命是如何从一个细胞开始一步步形成的。”

2015年前后，丁胜团队逐渐明确了新的研究目标：不只是让细胞分化或重编程成另一类细胞，而是探索能否通过人工调控，让细胞回到接近天然全能性的起始状态，再从这个起点重新展开发育，探索生命如何由此产生。

这里的“全能性”，与通常所说的“多能性”不同。多能干细胞能够产生构成胚胎自身的多种细胞类型；全能性则还涉及产生支持胚胎发育的胚外细胞谱系的潜能。要获得、维持并研究这样的细胞状态，远非易事。

2022年丁胜（前排正中）团队研究成果主要参与者合影

从提出假设到分析结果，经过近七年的反复探索与验证，团队于2022年取得重要突破：通过三种化学小分子组成的“TAW鸡尾酒”，将小鼠多能干细胞诱导为具有全能性特征的细胞。这项成果于2022年6月在线发表于《自然》（Nature）。

但获得一种具有全能性特征的细胞，并不等于证明它能够独立组织出连续的发育过程。事实上，在这篇论文发表前，团队就已明确了进一步方向：让这些细胞从这一“起点”再度出发，检验其发育潜能。

2026年，丁胜（前排正中）、论文共同通讯作者马天骅（后排右一）、论文第一作者吴华（后排正中）与团队成员合影

02

从一种细胞出发，看见“时空秩序”

“细胞发育有其内在秩序，就像四季更迭、阴晴圆缺”

“它不仅能够产生胚内和胚外的多种细胞，还能够让这些细胞按照相应的时序、在相应的空间位置出现，并通过彼此之间的相互作用，逐步自我组织成一个复杂、具有多种生命活动特征的整体。”丁胜这样解释这一细胞起点所展现的发育潜能。

过去，科学家已经能够通过组合不同类型的干细胞，构建具有早期发育特征的胚胎模型。丁胜团队则希望探索一条新路径：能否不依赖多种起始细胞的组合，仅从一种具有全能性特征的细胞出发，让不同细胞类型和组织依照一定的时空秩序逐步形成？

为此，团队进一步优化化学诱导全能性干细胞体系，同时摸索适宜的体外培养条件。最初的困难在于，模型很难持续发育。按照天然胚胎发育过程，小鼠胚胎需要着床。团队一度尝试在体外模拟着床环境，却始终没有获得预期进展。

转机出现在2023年5月。在一次实验中，论文第一作者、2022级博士生吴华改变了原有思路：不再尝试模拟着床，而是让胚胎模型在培养液中保持悬浮状态。结果出乎意料——原本难以继续发育的模型，竟然出现了新的发育特征。

ciTotiSCs来源的胚胎模型逐步建立基本布局并进入早期器官发生阶段

团队由此调整培养方案，进一步补充必要的信号、激素和营养支持，逐步推动模型向后续阶段发育，先后观察到原肠胚样结构的形成，胚胎基本布局的逐步建立以及早期器官形成的关键发育特征，并在不同阶段产生了构成胚胎自身及胚外组织的多种典型细胞类型。

03

当第一次“心跳”出现

“原本无声的发育过程，仿佛有了节拍”

2024年夏天的一个晚上，吴华回到实验室收取培养样品，发现培养中的泡状结构明显变大。他把样品放到显微镜下，看见其中的组织“扑通扑通地跳”。

此前，团队也观察到过组织跳动，但这次的收缩更加明显，而且具有节律性。兴奋之余，吴华立即联系了正在哈佛大学从事博士后研究的师姐胡妍妍——她是团队2022年《自然》论文的共同第一作者。两人通过电话反复讨论，接下来如何鉴定这一结构、补充哪些证据。

后续研究表明，部分模型形成了具有一定空间结构的早期心脏组织，并表现出节律性、协调性的收缩。与此同时，还出现了血管网络、血液细胞及原始生殖细胞等发育特征。

ciTotiSCs来源的胚胎模型形成具有心房和心室分区的心脏组织

这一研究成果的意义，不只在于产生了多种细胞和组织，更在于它们能够在同一个胚胎中，按照相应的时间和空间秩序彼此协调、共同发育，逐步形成一个整体，并开始呈现出生命活动的特征。相比单个组织或类器官的自组织，这里展现的是整个胚胎尺度上的整体自组织。

04

从新起点出发，还能看见什么

“聚焦，把底层问题回答透彻”

一个被诱导出的细胞状态中，没有一颗微缩的心脏、一条血管，也没有预先形成的生殖系。然而，在适宜的培养条件下，细胞能够通过分化和彼此作用，让这些组织和早期功能有序呈现出来。

这是否意味着，科学家已经能够在实验室中创造出完整的生命？

答案是否定的。

ciTotiSCs来源的胚胎模型形成卵黄囊血管网络

此次研究构建的是小鼠胚胎模型，它能够模拟和重现一段早期胚胎发育过程，但目前还远未达到形成完整生命个体的程度。

尽管目前构建的模型能够连续呈现多个早期发育阶段的特征，但其发育程度仍然有限，整体上主要相当于小鼠天然胚胎第8.5天的阶段，部分组织结构与天然胚胎仍存在差异，仅心脏组织表现出进一步成熟的潜能，可以呈现出类似天然胚胎第10天左右的发育特征。

这些差异恰恰提出了新的科学问题：是起始细胞状态仍有不足，还是体外培养环境、不同组织之间的协调能力限制了进一步发育？

对于未来的探索，丁胜和团队始终有着明确的目标：进一步优化细胞状态与体外培养环境，让模型经历更长时间、更完整的发育过程，并逐步探索将这一研究路径拓展到其他哺乳动物中的可能性。

至于实际应用，丁胜并不急于给出答案。“如果把这样一个突破性的底层技术开发出来，世界上就会有成千上万的实验室利用它探索不同应用。”

在他看来，基础研究的价值，或许正是为未来提供更多目前无法预知的可能。而眼下最重要的，仍是“聚焦，把底层问题回答透彻”。

他深知，距离真正理解并重建生命早期发育的复杂过程，还有很长的路要走。“它不是一个工程问题，而是一个科学问题，有非常多的不确定性。但是目标非常确定。”

研究团队也强调，这项研究聚焦小鼠发育，未来如果将类似方法拓展到其他哺乳动物，尤其是人类细胞，必须接受更加严格的伦理审查和充分的公共讨论。

05

在未知中聚焦，在探索中成长

“所谓失败，只是没有得到预期结果”

从2015年前后明确科学问题，到2022年取得重要突破，再到如今的新研究成果，丁胜团队沿着同一个科学目标，已经持续探索十余年。

来到清华从事科研工作近12年，丁胜感受到自己越来越能够聚焦于重要问题开展研究。“过去十多年，清华给了我这样的环境和支撑，让我能够越来越聚焦在自己的研究领域。”在他看来，即使人工智能等新工具不断提高研究效率，判断什么问题值得长期追问，仍然需要科学家的积累与思考。

对于探索未知的基础研究，失败也是发现的一部分。“所谓失败，只是没有得到预期结果。”丁胜认为，重要的是从可靠的实验结果中修正假设、寻找方向。面对意料之外的发现，既要给“运气”足够的时间，也要有充分的准备，才能及时抓住机会。

这样的理念，也影响着年轻团队成员的成长。目前的研究团队中，有一半成员是“00后”。

团队合影

2022年夏天，原本从事化学与材料相关研究的吴华读到丁胜团队发表的论文，主动联系丁胜，提前进入实验室，希望将这项研究继续向前推进。

但真正开始探索，困难远超预想。面对全新的实验体系，他不仅缺乏成熟的经验，也没有如今这样的项目团队。“前期挺孤独的。”吴华回忆，日复一日地培养、收取和分析样品，许多尝试迟迟看不到明显进展。

根据实验记录，团队至少开展了数百次实验，尝试过的诱导及培养条件超过150种。每一次调整，都要等待模型发育，再观察结构变化、评估发育效果。一个看似微小的条件变化，就可能影响后续整个发育过程。

丁胜给予学生充分的探索空间。他时常提醒被研究“混沌期”困住的同学们，对于全新的科学问题，首先要证明现象真实存在，实现“从0到1”，再逐步提高效率，实现“从1到100”。

提及此次科研经历的收获，2023级博士于涵之说自己学会了把宏大的科学问题拆解为具体的实验目标；2023级博士生杜星翰逐渐理解大胆假设与严谨验证同样重要；2024级博士生高梦晗难忘亲手培养的微小细胞逐步形成肉眼可见的胚胎模型时的惊喜。

随着研究逐渐取得进展，新的挑战又摆在眼前。模型整体发育仍不完善，怎样才能找到最有价值的突破口？团队反复讨论后，决定进一步聚焦心脏、造血及生殖细胞谱系等关键现象，通过重复验证和深入分析，让发现获得更加充分的证据支持。

2025年7月，论文收到审稿意见，团队进入紧张的修改阶段。不久，吴华却意外摔伤手腕，造成骨折。原本熟练的实验操作变得困难，就连使用鼠标、修改文稿，也不得不放慢速度。

面对突如其来的变化，他重新调整工作安排，一点点推进实验与论文修改。2026年9月，论文终于被正式接收。巧合的是，收到录用消息时，他刚刚拆除了手部石膏。“身体恢复和研究成果告一段落恰好相遇，让我有一种终于可以松口气的感觉。”

回望这段经历，吴华更深的感受是，科研不仅需要面对未知的科学问题，也要学会接受计划之外的变化，在不确定中调整节奏，把眼前的事情一步步做好。

作为曾经的团队成员，生命学院2016级博士校友胡妍妍仍持续关注着这项研究的进展。“这次研究取得新的进展，让我更加理解丁老师一直强调的‘聚焦’。做科研，要聚焦重大、本质、真正困难的科学问题。这样的探索需要长期的耐心、积累与持续投入。在这个过程中，每一步研究结果都在回答一些问题，也带来新的认识，推动我们不断向前。”

一项科研成果取得突破性进展，是十余年探索中的一个重要节点，却远不是终点。

从寻找接近生命起点的细胞状态，到观察它如何展开早期发育，丁胜和团队一步步将曾经的科学设想转化为可以观察、验证的实验过程。

而每一次新的发现，也让更多未知浮现出来。

向后追寻生命的起点，是为了向前探索生命发育的更多未知。

在清华园里，这场关于生命起点的探索，仍在继续。

清华大学药学院丁胜教授、马天骅副研究员为该论文的共同通讯作者，丁胜教授课题组博士研究生吴华为论文第一作者。丁胜课题组原成员、清华大学生命学院2016级博士校友胡妍妍（现为哈佛大学/HHMI Jane Coffin Childs博士后研究员），课题组博士研究生于涵之、高梦晗、杜星翰参与了本研究并作出重要贡献。该研究得到了新基石研究员项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金及清华大学－北京大学生命科学联合中心等的资助与支持。

文字&编辑｜陈韩梅

鸣谢｜药学院

视频｜狄迪

摄影｜雍乐 杨屿涵

来源：北京号

作者: 清华大学