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本文由西班牙龐培法布拉大學和 ICREA系統(tǒng)生物工程的科研人員9月2日在線發(fā)表于Nature cell biology雜志。
基于干細胞的胚胎模型標準化標準（全文）
多能干細胞正被用于生成早期胚胎發(fā)生模型，這些模型在發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)化研究方面顯示出很大的前景。為了使這些模型具有實際價值，我們需要對它們的效率和對自然胚胎的忠實度進行嚴格的考慮。在此，我們提出了提高基于干細胞的胚胎模型研究標準的準則。
“模型”一詞在科學中有不同的上下文含義。在物理學和工程學中，模型通常是對現(xiàn)實的簡化，通常是數(shù)學表示，用于探索系統(tǒng)各部分之間的相互作用，以理解整體行為。在發(fā)育生物學中，“模型”指的是使用一種生物體來幫助闡明多種生物體發(fā)育的一般原則。由于許多過程在物種間的保守性，使用模式生物進行研究具有一定的合法性。在哺乳動物的研究中，實驗室小鼠是傳統(tǒng)的模式生物。然而，由于不同物種在形態(tài)發(fā)生過程、結(jié)構(gòu)和時間上的差異，尚不清楚從小鼠獲得的知識在多大程度上可以推廣到其他哺乳動物，特別是人類。
對人類胚胎的研究已有100多年的歷史，但主要是描述性的而非機制性的研究。近年來，由于體外受精產(chǎn)生的多余人類胚胎的捐贈數(shù)量增加，研究早期人類發(fā)育的興趣得到了重新激發(fā)。這導(dǎo)致了一些關(guān)于人類胚胎發(fā)育到原腸胚形成（約第14天）的新見解。然而，在此階段之后，對人類胚胎的體外實驗仍然存在技術(shù)上的困難，而且在許多國家/地區(qū)是禁止的。因此，對人類胚胎進行機制性研究仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管一些國家，如中國和以色列，對人類胚胎研究的限制較少，但目前的人類胚胎研究的監(jiān)管框架限制了對人類胚胎發(fā)生在健康和疾病狀態(tài)下的理解的進展。
在過去的二十年中，多能干細胞（如胚胎干細胞和誘導(dǎo)多能干細胞）作為研究哺乳動物發(fā)育的工具出現(xiàn)了。由多能干細胞培養(yǎng)產(chǎn)生的貼壁細胞培養(yǎng)物和三維（3D）類胚體能夠展示遺傳和表觀遺傳程序的特征，例如對細胞因子的反應(yīng)，這些程序模擬了自然胚胎發(fā)育過程中細胞譜系的指定、決定和分化。這些培養(yǎng)物通常被稱為“發(fā)育模型”，在生產(chǎn)用于科學研究和治療目的的相關(guān)細胞類型方面非常有用，例如藥物發(fā)現(xiàn)和細胞治療。然而，這些模型缺乏自然胚胎三維發(fā)育中細胞類型的完整表示、比例性和組織性。
在過去的十年中，開創(chuàng)性的研究揭示了多能干細胞聚集體自組織并形成模式化結(jié)構(gòu)（稱為類器官）的能力，這些結(jié)構(gòu)在體外模擬了器官始基的結(jié)構(gòu)。從那時起，使用多能干細胞和精確信號方案的眾多協(xié)議已經(jīng)顯示出再現(xiàn)“發(fā)育模型”中觀察到的細胞譜系軌跡，并進一步結(jié)合了自然哺乳動物器官發(fā)生特有的形態(tài)發(fā)生和組織模式化過程。多能干細胞的自組織能力最近進一步被利用，用于形成類似早期哺乳動物胚胎的結(jié)構(gòu)，包括人類胚胎，這引發(fā)了一種簡化的、自下而上的方法來模擬人類胚胎發(fā)生。這些哺乳動物胚胎模型不需要生成自然胚胎的精確復(fù)制品即可在研究中具有實用性。然而，它們應(yīng)該足夠接近其體內(nèi)對應(yīng)物，例如包括正確的組成細胞類型，并顯示出自然胚胎的結(jié)構(gòu)組織，同時便于實驗操作，以提供有關(guān)發(fā)育的有用新知識。基于這種悖論，如果胚胎模型僅形成某些孤立的組織群，它們可能特別有用，從而揭示出可能在自然胚胎復(fù)雜整合環(huán)境中被掩蓋的自主過程。胚胎模型也可能走不同于經(jīng)典發(fā)育路徑的路線，因為它們的細胞功能屬性可能比胚胎中的限制少；這可能提供有價值的信息。因此，胚胎建模的主要目標不一定是生成胚胎或其組成結(jié)構(gòu)的完整復(fù)制品，而是通過利用它們的可擴展性、可訪問性、模塊性和可實驗性來闡明發(fā)育的特定方面。
對于人類發(fā)育的研究來說，一類特別有用的胚胎模型是由人類多能干細胞衍生的胚胎模型。然而，由于它們與自然胚胎的相似性帶來的倫理敏感性，關(guān)于是否科學探究可以證明在研究中使用這些人類胚胎模型的正當性問題引發(fā)了討論。我們認為，它們的相關(guān)性應(yīng)該通過權(quán)衡它們與倫理負擔較輕的模型（如發(fā)育模型或類器官）之間的潛在利益來判斷。此外，它們的實用性取決于它們有效再現(xiàn)發(fā)育事件（如組織模式化和形態(tài)發(fā)生）的能力。在科學理解的結(jié)果和積極影響超越倫理和法律問題的情況下，建模一個完整的胚胎可能是正當?shù)?，前提是遵守監(jiān)管指南。在這種情況下，胚胎模型的生成和使用應(yīng)受到監(jiān)督，以確保這些模型避免因倫理原因而被排除在自然胚胎研究之外的特征。然而，我們推測，如果某一時點胚胎模型變得與自然胚胎無法區(qū)分，它應(yīng)受到與胚胎研究適用的相同規(guī)則和立法窗口的約束。
定義基于干細胞的胚胎模型的標準
胚胎模型在生成效率、細胞組成和結(jié)構(gòu)組織方面可能會表現(xiàn)出不同的水平，而與真實胚胎的忠實度較低。這種情況是有問題的，因為它可能導(dǎo)致模型的錯誤表示，從而有誤導(dǎo)科學和醫(yī)學發(fā)現(xiàn)的風險。例如，過度依賴未充分表征的模型可能導(dǎo)致在胚胎學中的錯誤發(fā)現(xiàn)，以及在疾病建?；蛩幬餃y試中的誤導(dǎo)性使用。因此，我們認為有必要提出一些基本屬性來用于表征胚胎模型。
一個模型的關(guān)鍵要求是其特征應(yīng)反映被模擬的整個或部分胚胎結(jié)構(gòu)的特征，并且這一點應(yīng)在研究結(jié)果的報告中明確說明。
為了使實驗和發(fā)現(xiàn)具有可重復(fù)性，報告應(yīng)回答以下問題：初始多能干細胞群體的多能性狀態(tài)是什么？胚胎模型結(jié)構(gòu)的組成細胞在多大程度上反映了胚胎的細胞狀態(tài)和空間組織？胚胎目標的成功建模頻率是多少？如果最終的模型結(jié)構(gòu)與目標偏離，重要的是要承認這些差異，并確定其偏離胚胎發(fā)育真實情況的具體點。此外，胚胎模型的發(fā)展路徑應(yīng)被記錄，因為有一些重要的問題需要考慮，例如：細胞在多大程度上經(jīng)歷了與胚胎相同的細胞狀態(tài)和形態(tài)變化的順序和速度，細胞和組織隨著時間的推移經(jīng)歷了哪些發(fā)育階段，模型中的同步性程度，以及與胚胎的進展相比，模型是否跳過了某些事件、加速或減緩了發(fā)展進程。
模型的效率、可重復(fù)性和穩(wěn)健性是將胚胎模型作為有用實驗工具以闡明胚胎發(fā)生或用于轉(zhuǎn)化研究的關(guān)鍵要求。因此，應(yīng)通過穩(wěn)健的統(tǒng)計測定量化相關(guān)特征來報告這些變量，且出版物必須附有這類信息的報告。
胚胎模型的忠實度可以通過將其細胞組成和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)與參考數(shù)據(jù)集進行基準比較來表征，通常是與天然胚胎或其身體部分及器官在特定發(fā)育階段的細胞類型轉(zhuǎn)錄組進行對比。這種分析，在改進的可視化方法支持下，是理解胚胎模型與天然胚胎之間相似性和差異性的關(guān)鍵。當將模型的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)投射到參考轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集上時，應(yīng)該包括那些不典型于目標組織的細胞、殘留的多能干細胞或祖細胞，以確?；谕渡涞臉撕炥D(zhuǎn)移不會過度擬合。
基因表達譜是表征植入前發(fā)育階段模型的有用代理指標，因為在此期間，譜系數(shù)量較少且組織相對簡單。然而，隨著發(fā)育的推進，基因表達描述符的價值逐漸降低。例如，在原腸胚形成期間，細胞類型的范圍顯著擴大，僅憑細胞類型目錄不再是一個重要的標準，空間排列和相對比例變得更加關(guān)鍵。例如，原腸胚二維培養(yǎng)模型產(chǎn)生的細胞類型陣列與原腸胚中存在的細胞類型相似。因此，其拓撲組織和功能性應(yīng)成為比較模型與胚胎的主要標準。未來的努力應(yīng)致力于通過整合階段特異性多組學信息的額外層次來提高參考數(shù)據(jù)集的顆粒度，例如細胞類型的空間組織、表觀基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組的特征。
總的來說，需要對空間和時間中的特異化、分化、模式形成和形態(tài)生成事件進行準確且定量的描述，以評估模型的忠實度和可重復(fù)性，以及其模擬胚胎發(fā)生的能力。這對于比較不同模型、定義可以用它們解決的科學和醫(yī)學問題的范圍，以及選擇最有用的模型來解決特定問題至關(guān)重要。我們認識到，這樣詳細的表征無法在單一研究中完成，而是需要整個研究社區(qū)的共同努力，以全面表征所關(guān)注的模型。
模型的命名是一個重要的描述符，它可以影響對研究工作的感知，并影響資助機構(gòu)的態(tài)度，尤其是在美國這樣的國家，那里對類似胚胎的結(jié)構(gòu)研究的資助，如由三胚層或其衍生物組成的結(jié)構(gòu)，受到聯(lián)邦的密切審查，目前由美國國立衛(wèi)生研究院逐案決定。胚胎模型的“通用”名稱應(yīng)反映系統(tǒng)的組織以及其旨在模擬的對象的身份。我們建議，首先，模型應(yīng)使用普遍理解的詞匯。其次，它應(yīng)反映所模擬的階段和組織，理想情況下還應(yīng)提示（如有必要）模型不完美的性質(zhì)。這通常是使用“-oid”后綴的初衷，表示某物相似但不等同。
準確的術(shù)語將有助于提高對所開展工作的清晰度，無論是在該領(lǐng)域內(nèi)，還是對于公眾的正確理解。例如，目前情況中出現(xiàn)的問題之一是不同名稱被賦予了再現(xiàn)與旁軸中胚層中的原體軸相關(guān)的組織模式化方面的模型：somitoids、segmentoids、axioloids 和 trunk-like structures。盡管每個模型都具有特定的特征，其中一些沒有軸向組織的體節(jié)可能被視為類器官，但大多數(shù)嘗試表示相同的體節(jié)形成過程及相關(guān)的胚胎結(jié)構(gòu)。然而，對類似或相關(guān)對象的多種名稱可能導(dǎo)致混淆，因此應(yīng)確定統(tǒng)一的術(shù)語，以促進科學家之間的對話，更重要的是，促進媒體和社會對該領(lǐng)域的理解。我們建議由開發(fā)模型的研究人員達成共識來完成這一任務(wù)。
至于一個總括性的術(shù)語，已經(jīng)提出了幾個名稱，例如 stembryos、embryoids 和 pseudoembryos，每個名稱都有其價值和不足。所有這些名稱都有提示胚胎模型是天然胚胎不完美復(fù)制品的優(yōu)點，但也可能被誤解為接近胚胎。我們承認命名問題需要通過科學界內(nèi)的討論達成共識，而這些討論超出了本文評論的范圍。然而，我們注意到，目前“基于干細胞的胚胎模型”這一術(shù)語正在獲得認可，我們建議遵循這一術(shù)語。我們還建議在適當情況下，模型中模擬的胚胎發(fā)生的具體特征（如原腸胚形成、心臟發(fā)生、軸向延長和模式化）可以作為“后綴”添加，以清晰地定義特定模型的屬性；例如，基于干細胞的原腸胚形成模型，基于干細胞的體節(jié)形成模型。
我們的目標是強調(diào)明確和一致地描述胚胎模型的效率和準確性的重要性，以定義其實用性，并就術(shù)語達成共識，以改善溝通。為此，我們提出了一些關(guān)于實驗標準和報告的建議。對胚胎模型進行適當?shù)谋碚?，將有助于資助機構(gòu)在研究價值上的審議，以及監(jiān)管機構(gòu)的審查，從而使該領(lǐng)域能夠在公眾信任的基礎(chǔ)上取得進展。
a. 應(yīng)報告干細胞系的多能性狀態(tài)和基因組完整性。
b. 理想情況下，應(yīng)使用并比較多種不同的細胞系。
c. 報告用于胚胎建模的初始細胞數(shù)量以及其他細胞類型（如適用）。
2、協(xié)議：
a. 應(yīng)詳細描述組裝起始細胞群體以啟動模型生成的方法。
b. 應(yīng)詳細描述逐步的體外培養(yǎng)條件，以達到建模終點。
3、應(yīng)以統(tǒng)計準確的方式報告模型生成的效率和最終特征的可重復(fù)性定量測量。
胚胎模型的表征
前言： 定義建模的目標，例如，囊胚、雙層胚胎盤、14天胚胎、原腸胚、體軸模式等。
1、識別模型中的細胞組成和空間組織。
2、評估結(jié)果細胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征。
3、在上述第1和第2點的發(fā)現(xiàn)背景下，確定特定目標建模的忠實度水平，使用以下描述的基準標準。
4、定量測量建模結(jié)果的實驗內(nèi)和實驗間變異性。
5、明確模型的局限性。
基準標準
1、細胞組成和細胞狀態(tài)，通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)以及（如適用）額外的方式（例如，蛋白組、代謝組）確定。
2、模型結(jié)構(gòu)中細胞類型的空間組織，以及（如相關(guān)）子結(jié)構(gòu)（例如，體節(jié)、神經(jīng)管）。
3、完整結(jié)構(gòu)的形態(tài)，以及（如相關(guān)）其組件（例如，單獨的器官原基）。
4、形態(tài)發(fā)生事件的時空序列。
基于第1-4點的目標與發(fā)育階段的匹配。
進一步的報告標準
1、應(yīng)評估和報告胚胎模型與自然胚胎目標結(jié)構(gòu)之間的相似性和差異性。對于分類器驅(qū)動的注釋，應(yīng)報告置信度分數(shù)。
2、應(yīng)明確模型的局限性，例如非目標細胞類型和形態(tài)變異。
3、對于需要科學和監(jiān)管監(jiān)督的胚胎模型，提供生成和使用胚胎模型進行研究的倫理和監(jiān)管治理聲明。