【Nature背靠背】首例！在实验室条件下构建出完整的人类胚胎模型

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作者：Yun

导言：由美国德克萨斯西南医学中心的吴军和Gary C. Hon领衔的研究团队，以及澳大利亚莫纳什大学Jose M. Polo领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》发表重要研究成果，在实验室条件下构建出完整的人类胚胎模型。

生命是由精子和卵子结合，形成受精卵，最后形成胚胎开始的。目前对早期胚胎的研究，可用的材料主要是捐赠的试管婴儿胚胎，而这些胚胎非常少。人体实验又受到伦理道德和法律限制。

因此，利用体外培养的成体细胞来构建哺乳动物的胚胎模型，成为一个吸引人的研究方向。

近日，由美国德克萨斯西南医学中心的吴军和Gary C. Hon领衔的研究团队，以及澳大利亚莫纳什大学Jose M. Polo领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》上发表了重要研究成果，题目分别是“Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cells”和“Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids”。

这两个独立团队用两种方法完成了同一件事情——在实验室条件下构建出完整的人类胚胎模型。这是人类历史上首次基于非生殖细胞在实验室条件下构建的完整人造人类胚胎模型，这两项突破性的工作，或将让人类胚胎的早期发育过程多了进一步深入探究的可能性。

在哺乳动物中，受精卵在发育的最初几天会经历一系列的细胞分裂，并形成一种称为囊胚的结构。囊胚期的胚胎包含一个称为滋养层（Trophoblast， TE）的外细胞层，它围绕着一个空腔，里面还有个内细胞团（inner cell mass，ICM）。

随着囊胚的发育，ICM分化成两个相邻的细胞群--上胚层（epiblast）和下胚层（hypoblast）；在小鼠胚胎中，下胚层被称为原始内胚层。

在随后的发育中，上胚层会发育成各种组织，而下胚层（原始内胚层）和滋养层细胞则发育成胎盘等胚胎外组织与母体连接，并为胚胎发育提供支持。

不难看出，胚胎的发育是被高度调控的，且有其自身时空节奏的，想在体外复制这一过程，难度可想而知。

一直以来，科学家都在尝试使用人类干细胞构建人类早期发育模型，但仅限于上胚层细胞。也就是说之前的模型并不完整，它们虽然可以重现人类胚胎发育的某些阶段，但它们缺乏滋养层和下胚层，不能让科学家了解胚胎发育早期的全貌。

就在前两年，科学家以小鼠干细胞为基础，首次在培养皿里构建了完整的胚胎模型。

值得注意的是，就在4年之前的2017年2月，彼时还是美国索尔克生物研究所研究员的吴军及其合作团队在顶级学术期刊《细胞》（Cell）发表了另一项研究，他们把人类干细胞注入猪胚胎中，首次成功培育出人猪嵌合体胚胎，并在猪体内发育了3到4周时间。该研究被认为是干细胞研究领域的一个里程碑。

2019年10月，吴军等人在《细胞》发表研究，报道了利用扩展多能性干细胞在体外构建功能性的胚胎结构，而不经过传统受精方式。这一新模型未使用配子，可以以高通量方式揭示早期胚胎的发育机制，并构建机体各部分类器官。

2020年12月，吴军等人再次在《细胞-干细胞》发表论文，他们首次在多个物种中培育出一种新型干细胞系，并在此基础上生成世界首例马鼠嵌合胚胎。

吴军（左）和Gary C. Hon

吴军团队和Jose M. Polo团队此次研究都从两个方面突破了技术难关：一个是使用的细胞系，另一个是优化培养方案。

吴军团队采用的是来源于人类囊胚的人类胚胎干细胞；而Jose M. Polo团队采用的是重编程的人类皮肤成纤维细胞（HDFs）。基于名为Aggrewell板的3D培养皿，以及他们独特的培养基，两个团队都成功构建了人类胚胎模型。

两个研究团队均发现，在培养6-8天后，人囊胚出现，形成效率高达近20%。而且人类囊胚的大小和形状与天然囊胚相似，细胞总数也相似。它们也含有一个空腔和一个类似ICM的细胞团。而且滋养层、上胚层和下胚层的空间组织结构也与植入前人类胚胎一致。

仅长得像还不行，人造囊胚与天然胚胎的分子特征是不是也相同呢？

为了搞清楚这个问题，研究人员分析了人造囊胚的转录组数据，并将它们与人类胚胎的数据做了比较。结果显示，至少在转录组上，人造囊胚与天然胚胎具有相似的分子特征。

研究人员甚至还在培养皿中给人造囊胚模拟了子宫的环境，观察它们的发育状况。研究结果表明，这些胚胎可以进一步发育，有些胚胎甚至出现了分化成胎盘细胞类型的迹象。

总的来说，以上两个研究表明，上述两个人造囊胚模型能够用于研究早期胚胎的发育问题。不仅如此，很多遗传病的研究，以及相关药物的研究，也会因此而取得更大的进展。

而回到科学界和公众都讨论广泛的生物伦理问题，吴军强调，其最新的这项研究获得的并不是真正的胚胎，“类囊胚非常接近真正的囊胚，但是它和囊胚仍然不相同。”他表示，“从生物学角度，这个结构的本质并不是胚胎，只是一个可以经历胚胎早期发育过程的胚胎干细胞的集合体。”

而即使在人类胚胎研究的框架下，他认为他们的研究仍旧符合国际上的法律法规以及准则。更重要的是，吴军认为，“通过对囊胚样结构来研究人类早期胚胎的发生和发育，可以不使用真正的人类胚胎来研究，这在一定程度上是对生命的保护。这些研究对解决出生缺陷和人类发展的许多其他重要且未被研究的方面打开了窗口。”

参考资料：

【1】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03356-y

【2】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03372-y

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