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來源：BioArt
人類胚胎植入后能否正常發(fā)育，很大程度上取決于胚胎外組織的形態(tài)發(fā)生及其對胚胎細胞組織的影響，但受限于倫理和技術挑戰(zhàn)，目前仍缺乏能反映人類胚胎著床后空間組織形態(tài)發(fā)生的模型，而該模型的構建對于解決生育和胚胎發(fā)育缺陷等問題而言至關重要。
2022年8月1日，以色列魏茨曼研究所的Jacob H. Hanna團隊等在Cell雜志上合作發(fā)表了一項研究成果，證明小鼠原始態(tài)胚胎干細胞（naïve ESCs）具備在子宮外自組裝成具有空間組織形態(tài)發(fā)生能力的胚胎（之前稱為sEmbryos，后更名為SEMs）【1】。受此啟發(fā)，他們想測試是否可以誘導人類多能干細胞在宮外動態(tài)發(fā)育至原腸胚階段。
2023年9月6日，Jacob H. Hanna團隊在Nature雜志上發(fā)表了一篇題為“Complete human day 14 post-implantation embryo models from naïve ES cells”的文章，證明未經基因修飾的人類naïve ESCs也可經誘導自組裝為能再現(xiàn)著床后人類胚胎幾乎所有已知譜系和結構的SEMs（如上下胚層等），這些SEMs還能動態(tài)模擬從受精后7-8天到13-14天的關鍵發(fā)育特征，這一平臺的構建將有助于人們了解人類胚胎植入早期階段的未知事件。
類似于在小鼠中，若想由naïve PSCs獲取原始內胚層細胞譜系（Primitive endoderm，PrE）和滋養(yǎng)層干細胞譜系（Trophoblast stem cells, TSC），需要在最佳條件下瞬時過表達轉錄因子Gata4或Cdx2加以快速誘導。人類胚胎（而非小鼠胚胎）著床后會形成胚外中胚層（ExEM）結構，于是作者用人類PrE和ExEM調節(jié)因子GATA4和GATA6分別誘導人ESCs并用FACS染色標志物（PDGFRa+）以確定最佳誘導條件，同時用CDX2誘導人ESCs至滋養(yǎng)層細胞譜系（trophoblast, Tb），通過校準這些細胞的聚集條件，如不同階段所需細胞數(shù)量、比例和培養(yǎng)基成分等，使誘導的Tb樣細胞與PrE/ExEM樣細胞聚集以組裝成完整的類胚胎結構。
圖1. 人類naïve ESCs完全自組裝為SEM的方案和體外培養(yǎng)條件下的SEM結構明場圖。
在子宮外培養(yǎng)的3-4天，這些細胞自發(fā)形成3D球形結構并能反映植入子宮時Tb樣細胞包裹在SEM最外側的結構特征，其內則為分別表達OCT4和SOX17的上胚層（Epi）樣和下胚層（Hyp）樣細胞，到第6天上胚層樣區(qū)室開始形成羊膜樣腔（AC），而下胚層樣區(qū)室則開始形成卵黃囊樣腔（YS），并在兩者之間形成雙層盤狀結構，類似于人類9-10 dpf的胚胎狀態(tài)。在此基礎上，他們更詳細地描述了人類SEMs中關鍵譜系的發(fā)育特征，比如對 SEM中的TFAP2A和ISL1進行免疫染色，以從定位、形態(tài)和基因表達上證實Epi樣區(qū)室表現(xiàn)出的羊膜樣特征等。此外，研究者還利用Chromium 10X scRNA-seq對SEMs進行單細胞轉錄組分析，并基于細胞特異性標記物的表達以證實SEM中各細胞身份定義的有效性，并將轉錄譜與由6個人類胚胎數(shù)據(jù)集【2-7】進行比較以驗證SEMs與早期人類胚胎細胞類型組成的相似性。
總之，這項工作在子宮外生成了可自組織再現(xiàn)宮內早期胚胎3D結構和關鍵發(fā)育標志的人類SEMs，且在此過程中無需提供定向信號誘導，雖然該模型與人類胚胎并不完全相同，但也有助于實現(xiàn)對胚胎發(fā)育關鍵事件研究的目的。在本研究中，該團隊觀察到人類SEM的構建存在“低效率”和“發(fā)育階段可變（不穩(wěn)定）”的問題，未來在進一步優(yōu)化培養(yǎng)條件的同時，還需要進一步測試該模型是否能繼續(xù)完成原腸胚階段的發(fā)育并形成各種器官。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06604-5
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