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來源：藥明康德
我們的一生從一枚小小的受精卵開始，經(jīng)歷一系列細(xì)胞分裂、分化，產(chǎn)生各種組織、器官，最終發(fā)育成胎兒。這個(gè)過程很大程度上依賴于神奇的胚胎自我組織（self-organization）潛能。這一精巧而復(fù)雜的過程是如何完成的，則是一個(gè)困擾了幾代發(fā)育生物學(xué)家的重要問題。
該問題的答案在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重大意義——不僅能為革新檢測、預(yù)防和治療先天性遺傳缺陷的臨床實(shí)踐提供理論支撐，還將指導(dǎo)以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的細(xì)胞治療，修復(fù)疾病或衰老導(dǎo)致的器官損傷。然而，受限于倫理和胚胎獲取的技術(shù)困難，生物學(xué)家對(duì)孕后2~3周內(nèi)的胚胎發(fā)育知之甚少。因此，如何在體外模擬如同“黑匣子”的早期胚胎發(fā)育過程，成了近年來各國科學(xué)家不懈努力的方向。
2023年7月20日，美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的吳軍團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）雜志在線發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種基于3D培養(yǎng)可產(chǎn)生胚胎和胚外組織的干細(xì)胞，成功在體外模擬了2~3周的人類早期胚胎發(fā)育。
人類胚胎在受精后8~10天，囊胚的滋養(yǎng)層細(xì)胞與子宮內(nèi)膜上皮接觸，完成著床過程。同時(shí)，囊胚內(nèi)部的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)發(fā)育成上胚層和下胚層。其中上胚層最終發(fā)育成胎兒；而下胚層將發(fā)育成胚外結(jié)構(gòu)卵黃囊，在早期為胚胎提供養(yǎng)分和血液。
進(jìn)入受精后的第14天左右，胚胎發(fā)育的另一個(gè)關(guān)鍵事件——原腸胚運(yùn)動(dòng)（gastrulation）開啟，胚胎逐漸發(fā)育成為具有內(nèi)胚層、中胚層和外胚層的三胚層階段。其中，外胚層最終發(fā)育成為神經(jīng)系統(tǒng)、皮膚等組織；中胚層發(fā)育成為心臟、血液、肌肉和骨骼等組織；內(nèi)胚層則發(fā)育成為肺、肝臟、胰腺和腸道等內(nèi)部器官。因此，原腸胚運(yùn)動(dòng)奠定了器官發(fā)育的基礎(chǔ)；相反該階段的異?？赡軐?dǎo)致妊娠失敗或多種出生缺陷。
然而，目前模擬人類原腸胚運(yùn)動(dòng)的體外干細(xì)胞模型都存在一項(xiàng)關(guān)鍵的缺陷——缺少胚胎發(fā)育、形態(tài)發(fā)生和圖式形成必不可少的胚外組織，例如卵黃囊和胎盤。
為了克服上述障礙，吳軍團(tuán)隊(duì)選擇對(duì)擴(kuò)展?jié)撃芨杉?xì)胞（expanded pluripotent stem cell, EPSC）進(jìn)行培養(yǎng)。相比于傳統(tǒng)多能干細(xì)胞，EPSC具有分化為胚胎及胚外組織的潛力，并且在小鼠研究中已經(jīng)得到證實(shí)。
在最新研究中，吳軍團(tuán)隊(duì)首先借助早先開發(fā)的一種特殊培養(yǎng)條件，將EPSC轉(zhuǎn)變?yōu)樯吓邔訕蛹?xì)胞和下胚層樣細(xì)胞。這兩類細(xì)胞隨后展現(xiàn)出驚人的自我組織行為，逐步變化為類似雙胚層階段，三胚層階段，直到早期器官生成階段的類胚胎結(jié)構(gòu)。這一過程高度還原了人類胚胎在體內(nèi)的發(fā)育過程。
具體而言，首先在類雙胚層階段，上胚層樣細(xì)胞和下胚層樣細(xì)胞分別產(chǎn)生類似羊膜腔和卵黃囊的空腔。其中羊膜腔分別由頂部的羊膜樣細(xì)胞和上胚層樣細(xì)胞環(huán)繞。包括人類在內(nèi)的靈長類胚胎發(fā)育過程中，羊膜細(xì)胞充當(dāng)了發(fā)育信號(hào)中心的角色，其分泌的信號(hào)分子會(huì)誘導(dǎo)上胚層開始原腸胚運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生原始的三胚層細(xì)胞。
▲雙胚層階段：左圖為俯視圖，中間及右圖為側(cè)視圖。羊膜腔（AC）；蛋黃囊（YS）；上胚層（EPI）。比例尺：50 微米。（圖片來源：吳軍團(tuán)隊(duì)）
接下來，研究者又觀察到這一類胚胎結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)育成三胚層結(jié)構(gòu)，并伴隨原條（primitive streak）的形成。原條是中胚層和內(nèi)胚層分化的過渡結(jié)構(gòu)，此次為首次在體外成功模擬。這一發(fā)現(xiàn)也從側(cè)面印證了羊膜細(xì)胞作為胚胎原腸胚運(yùn)動(dòng)信號(hào)發(fā)令槍的角色。
▲三胚層階段：該階段的形態(tài)特征是原條結(jié)構(gòu)，如圖中粉色細(xì)胞所示。左圖為俯視圖，右圖為不同角度的側(cè)視圖。比例尺：50微米。（圖片來源：吳軍團(tuán)隊(duì)）
接下來的問題是，這一類胚胎結(jié)構(gòu)是否可以繼續(xù)往后發(fā)育？在此前的研究中，模擬到原腸胚運(yùn)動(dòng)初期似乎是一個(gè)重要技術(shù)瓶頸，由此往后的發(fā)育未見報(bào)道。而在最新論文中，研究者發(fā)現(xiàn)他們的類胚胎模型并未止步于原腸胚運(yùn)動(dòng)初期。
胚胎發(fā)育進(jìn)入第三周之后，胚胎的復(fù)雜程度將迅速增加。例如，一方面位于胚胎尾部的上胚層處會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)-中胚層前體細(xì)胞（neuromesodermal progenitor, NMP），它們將發(fā)育產(chǎn)生脊髓以及副軸中胚層。脊髓的重要性不言自明。副軸中胚層在胚胎發(fā)育中也起著重要作用，會(huì)發(fā)育成分節(jié)體并參與軀干骨骼、肌肉、真皮以及血管等的發(fā)育。另一方面，在胚胎的頭部，外胚層細(xì)胞開始向神經(jīng)外胚層分化，這是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的起始。
在此項(xiàng)研究中，研究者觀察到他們的胚胎模型出現(xiàn)了神經(jīng)外胚層以及分節(jié)體的特征。接下來，他們通過對(duì)胚胎模型的單細(xì)胞RNA測序，以及與真實(shí)人類和非人靈長類胚胎在單細(xì)胞水平的對(duì)比。結(jié)果，類胚胎在結(jié)構(gòu)上展現(xiàn)了符合預(yù)期的高度復(fù)雜性，并與同時(shí)期的人類胚胎存在解剖結(jié)構(gòu)上的相似性。由此，研究者從發(fā)育過程及最終形態(tài)上確認(rèn)，這一類胚胎模型與真實(shí)胚胎存在高度相似性。
▲單細(xì)胞水平的分析驗(yàn)證了類胚胎模型與真實(shí)胚胎的相似性。左圖為來自一顆CS8人類胚胎的組織學(xué)切片；右圖來自第12天的類胚胎的組織學(xué)切片。比例尺：200 微米。（圖片來源：吳軍團(tuán)隊(duì)）
綜上所述，該研究描述了一種高效的方法，可以促使人類擴(kuò)展?jié)撃芨杉?xì)胞自組織成胚胎樣結(jié)構(gòu)（peri-gastruloids），重現(xiàn)了人類早期發(fā)育的關(guān)鍵階段，如形成羊膜和蛋黃囊腔、產(chǎn)生雙層和三層胚盤、出現(xiàn)原始生殖細(xì)胞、啟動(dòng)原腸胚運(yùn)動(dòng)，以及早期神經(jīng)管化和器官形成。單細(xì)胞RNA測序揭示了此類胚胎與人類和非人靈長類動(dòng)物胚胎細(xì)胞類型之間的轉(zhuǎn)錄組相似性。
對(duì)于下一步的研究計(jì)劃，吳軍教授表示：“我們計(jì)劃進(jìn)一步完善這種胚胎樣結(jié)構(gòu)，特別是與輥胚培養(yǎng)系統(tǒng)的結(jié)合，為早期器官發(fā)生階段之后的深入研究奠定基礎(chǔ)。這最終可能導(dǎo)致用于再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的人體組織和器官的產(chǎn)生。”
吳軍教授介紹道，這項(xiàng)研究嚴(yán)格遵循國際干細(xì)胞研究學(xué)會(huì)（ISSCR）發(fā)布的2021年干細(xì)胞研究和臨床轉(zhuǎn)化指南，得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)研究中心干細(xì)胞監(jiān)督委員會(huì)（SCRO）也根據(jù)2021年ISSCR指南規(guī)定的條件對(duì)該研究進(jìn)行了全面審查和批準(zhǔn)。由于沒有胎盤組織，這些類胚胎不能長期體外存活，這也幫助減少了倫理方面的擔(dān)憂。此外，這些胚胎模型在體外培養(yǎng)時(shí)間被仔細(xì)校準(zhǔn)到檢查原腸胚形成和人類發(fā)育器官發(fā)生的初始階段所需的最短時(shí)間。
得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心吳軍實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)了此項(xiàng)研究，助理講師劉立中為該論文第一作者。該醫(yī)學(xué)中心的Gary C. Hon實(shí)驗(yàn)室，以及賓夕法尼亞大學(xué)的Nicolas Plachta實(shí)驗(yàn)室共同參與了此項(xiàng)研究。
吳軍實(shí)驗(yàn)室利用種間嵌合體和干細(xì)胞模型研究基礎(chǔ)生物學(xué)問題和開發(fā)再生醫(yī)學(xué)的新應(yīng)用，目前專注于衍生新型多能干細(xì)胞，識(shí)別和克服異種障礙，研究多能性的新型調(diào)節(jié)因子，并生成基于干細(xì)胞的哺乳動(dòng)物胚胎模型。
參考資料：[1] L.Z. Liu et al., Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids. Cell (2023). Doi: 10.1016/j.cell.2023.07.018