人类胚胎模型重要进展 准确再现早期发育

顶尖学术期刊《自然》近日以“加速预览”(Accelerated Article Preview)形式上线了一篇研究论文,展示了用人类干细胞制造的一种胚胎发育模型。这个模型被称为人胚状体(blastoid),能够准确再现胚胎早期发育的关键阶段,包括模拟胚胎在子宫触发着床的过程。
 
《自然》的评论强调,该模型将有助于推进我们对人类发育早期阶段的认识,以及开发不孕不育的治疗方法或避孕药。
 
奥地利科学院分子生物技术研究所(IMBA)的Nicolas Rivron博士是这项研究的通讯作者。2018年,他和同事们首先探索了用小鼠干细胞制造胚状体模型的方法,当时的研究进展同样登上了《自然》。在培养皿中,小鼠干细胞可以像真实的早期胚胎那样,形成空心球形状的囊胚(blastocyst)。
 
此次研究中,科学家们更进一步,采用人类多能干细胞产生了模拟囊胚的人胚状体。
 
 
▲胚状体模型,与真实囊胚的结构相似,有滋养外胚层和原始内胚层(图片来源:参考资料[3];Credit:Nicolas Rivron Lab)
 
按照人类的胚胎发育速度,受精卵在形成后一周才会植入子宫壁。在这个早期阶段,受精卵经过一系列分裂形成囊胚。着床成功的囊胚进行后续发育,最终形成胚胎和胎盘等结构。
 
着床期前后是理解发育缺陷和流产的关键。正因为这一阶段非常关键,近年来,多个科研团队提出了多种形成人类囊胚模型的方法,在体外产生与真实囊胚相类似的结构。
 
此次新模型的特点在于,它产生的细胞可以更忠实地反映囊胚发育顺序和速度。研究作者确定了涉及Hippo、TGF-β和ERK的三条信号通路,当抑制这些通路时,形成的囊胚状结构有效地模拟了正常囊胚发育(效率超过 70%),并形成正确细胞(效率超过 97%)。根据囊胚的发育顺序和时间点,产生了围着床时期人类胚胎的三个主要细胞谱系,即滋养外胚层、上胚层和原始内胚层。
 
 
▲模拟受精卵形成囊胚的早期发育过程,干细胞在体外形成了类似囊胚的结构(参考资料[1])
 
实验显示,研究人员培养出的人胚状体可以在培养皿中附着于受激素刺激的子宫内膜细胞上。这意味着,这一模型很接近发育了13天的自然人类胚胎,可以反映着床前后的各个方面。
 
 
▲体外实验模拟囊胚触发着床反应、植入子宫壁的过程(图片来源:参考资料[1])
 
通过高效、准确再现人类胚胎发育的关键阶段,人胚状体将有很多潜在的应用。Rivron博士介绍,这种胚胎模型可以从多个方面帮助生物医学领域的研究人员开发新疗法,包括治疗不孕症、优化试管婴儿植入程序、设计新的避孕药物,通过评估孕早期的细胞异常预防疾病,更可靠地制造有功能的器官用于药物筛选甚至移植。
 
参考资料:
 
[1] Harunobu Kagawa et al., (2021) Human blastoids model blastocyst development and implantation. Nature Doi: 10.1038/s41586-021-04267-8
 
[2] Laboratory for Synthetic Development. Retrieved Dec. 2, 2021 from https://www.blastoid.org/theblastoid
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