科学家在实验室模拟出人类胚胎的初期结构 | 本周《自然》封面故事

原文作者：Nidhi Subbaraman

多个研究团队利用人体细胞模拟了囊胚期结构，为我们了解人体发育打开了一扇关键窗口。

科学家成功利用人干细胞模拟了胚胎发育的最早期阶段。

多个研究团队分别报道了他们已经培养出类似于人类囊胚的细胞团——囊胚一般形成于卵子受精后的第四天左右。两支团队于3月17日在《自然》发表了他们的研究成果[1,2]；还有两支团队上上周也在bioRxiv预印本服务器上发布了尚未经过同行评议的类似结果[3,4]。这些实验让我们得以一窥人体发育的关键节点，并有机会在不使用人类胚胎进行实验的前提下，更好地理解妊娠丢失和不孕症。
由于没有合适的模型，我们对人类胚胎早期发育的理解一直受限。在本期《自然》中，两篇论文以实验室培养的人囊胚细胞模型的形式解决了这个问题——囊胚是胚胎发育最初几天内形成的细胞团。这两个团队选择了不同的起始点：在一篇论文中，吴军团队利用的是人多能干细胞；在另一篇论文中，Jose Polo团队利用的是经过重编程的成人成纤维细胞。两个团队诱导各自的细胞在培养皿中自组织成类似于囊胚的三维结构。吴军团队的结构名为“胚状体”（blastoids），Polo团队的结构名为“诱导胚状体”（iBlastoids），这两个结构代表了早期人类胚胎的一个融合模型。尽管如此，两个团队认为他们的结构并不等同于人类囊胚，但相信他们的胚状体和诱导胚状体将被证明对于不孕症和妊娠丢失的研究具有重要意义。封面图片：Ella Maru Studio。

密歇根大学安娜堡分校的生物工程师傅建平说：“这是一个重要的里程碑。”

科学家目前对发育早期的部分理解来自于他们对人类胚胎的研究。不过，这些胚胎的可及性有限，在伦理方面也存在着严格的限制。科学家认为，在实验室从人干细胞培养而来的囊胚与人胚胎不同，因此这类囊胚可以避开对人胚胎研究的一些伦理限制，并有望降低开展这类研究的难度。科学家并不认为这些新的囊胚样结构有能力发育成一个完整的胚胎。

在这之前，研究人员已经在实验室用小鼠干细胞培养了囊胚[5]，但小鼠的发育路径与人类有别，因此得到的结构并不能完全作为人体发育的模型。

最新的研究“将所有片段拼凑到了一起，有望模拟胚胎在最最早期的真实发育过程，”多伦多病童医院的发育生物学家Janet Rossant说，“这是一个我们还不怎么理解的阶段。”

研究限制

妊娠时，囊胚会在第7到第8天在子宫着床。这个阶段的囊胚有一层外细胞层，这个细胞层能一步步形成胎盘，而胎盘里的细胞具有发育成胎儿的潜能。

科学家已经利用人胚胎干细胞观察过囊胚着床后第18到20天的较后期发育阶段[6]。而这些新的实验是迄今在实验室模拟过的最早发育阶段。

囊胚会在人体发育的第7到第8天在子宫着床。来源：Lennart Nilsson, TT/SPL

对该阶段的一些认知来自于实验室培养的不超过13天的人胚胎。十多个国家的法律和国际干细胞研究学会（ISSCR）发布的规定都要求实验室培养胚胎的时间不超过受精后的14天。到第14天时，着床已经完成，胚胎中形成了原条，标志着胚胎内的细胞开始出现分化，并变得更加复杂。

在《自然》发表的其中一项研究中[1]，得克萨斯大学西南医学中心和昆明医科大学组成的联合研究团队使用一系列生长因子处理人干细胞，通过这种方法生成了名为“人胚状体”（human blastoids）的人造囊胚。团队用研究表明，他们可以利用取自人胚胎的干细胞或是已经重编程为干细胞的成人皮肤细胞来培养这种人造囊胚。

在《自然》发表的另一项研究[2]中，澳大利亚莫纳什大学克雷顿校区的Jose Polo团队将成人皮肤细胞重编程为一种细胞混合物，其中一些细胞可以发育成人胚状体。多个研究团队利用人干细胞培养出类似于图中的人造囊胚。来源：UT Southwestern

“(人胚状体)完全等同于人胚胎吗？”得克萨斯州莱斯大学的干细胞生物学家Aryeh Warmflash问道，“几乎可以说不。那么它能作为模拟囊胚阶段胚胎的完美模型？我想可以说是。”

这两个团队证明了他们的人造结构和囊胚的构造很像：中间有个腔，一个角落含有大量细胞——这些细胞在真正的囊胚中可以继续发育成胎儿组织。他们的研究还表明，这些结构含有组成囊胚的三个标志性的细胞类型。他们诱导这些人胚状体“着床”到塑料板上，继续成熟到一种类似于人囊胚在子宫壁着床后的状态。

研究人员对这个实验过程再熟悉不过，傅建平也见过将类似技术用于培养小鼠的胚状体。他说：“尽管如此，这依然是非常重要的下一步。”

发布预印本论文的两个团队使用了扩展多能干细胞，并得到了相似的结果。

吴军是得克萨斯州西南医学中心的分子生物学家，也是其中一篇《自然》论文[1]的通讯作者。他说：“我们希望将来能利用这个模型进一步了解人类胚胎的早期发育，理解不同的基因功能和它们的突变。”

变通方案

不过，这些团队都承认他们的方法还有进步的空间。发表于《自然》的两篇论文指出，只有约10%的重编程或转化的细胞发育成了人胚状体。此外，这两支团队都发现他们的结构中有一些人囊胚中不太看到的细胞。

Rossant认为这类研究“是个很好的开始”。但考虑到这些因素，“它的可重复性不会特别高。”

在《自然》发文的两个团队都考虑到了对实验室培养人类胚胎的14天限制，因此没有让他们的结构发育超过相当于2周的胚胎。

一些发育生物学家依然相信这些人造结构与人类胚胎在一个关键方面有所不同。科学家不认为这些结构能够存活超过当前的发育阶段，这么说的证据[7]是小鼠胚状体在小鼠子宫着床后并没有发育成胚胎。

不过，这些结构与人类囊胚的相似性还是引发了伦理争议。ISSCR已经注意到了这些情况，并将在5月份发布胚胎样结构研究指南的修订版。

这些模型结构的复杂性和发育潜能的不确定性，以及是否应被看作胚胎的问题使得相关研究很难拿到资助经费。美国国立卫生研究院（NIH）一直不愿意资助这类研究，理由是联邦法律《迪基—威克修正案》（Dickey–Wicker Amendment）有一章规定了美国政府不得资助涉及创建或销毁人类胚胎的研究。研究人员则强调这类结构不同于天然的人类胚胎，并呼吁NIH制定更清晰的资助决策指导标准。

去年，NIH的政策办公室召集了美国国家科学、工程与医学院的主要研究人员共同探讨该领域取得的里程碑进展。本月，NIH的科学政策主任Carrie Wolinetz撰文指出，NIH会视具体情况逐项考虑基于干细胞的胚胎发育模型结构研究的经费申请。

参考文献：

1. Yu, L. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03356-y (2021).

2. Liu, X. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03372-y (2021).

3. Sozen, B., Jorgensen, V., Zhu, M., Cui, T. & Zernicka-Goetz, M. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.03.12.435175 (2021).

4. Fan, Y. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.03.09.434313 (2021).

5. Rivron, N. C. et al. Nature 557, 106–111 (2018).

6. Moris, N. et al. Nature 582, 410–415 (2020).

7. Sozen, B. et al. Develop. Cell 51, 698–712 (2019).

原文以Lab-grown structures mimic human embryo's earliest stage yet标题发表在 2021年3月17日的《自然》的新闻版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-00695-8

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