Cell | 科学家利用干细胞重现人类胚胎早期发育关键阶段！

原肠胚形成（gastrulation）是胚胎从空心球体重组装为多层结构的过程，被认为是人类发育的“黑匣子”。这是因为出于生物伦理的考虑，人类胚胎的培养时间通常不会超过14天，而原肠胚形成发生在受精后17至21天之间。此外，目前模拟原肠胚形成的干细胞模型还不能包括产生卵黄囊和胎盘所需的胚胎外组织。

在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的吴军教授团队报告了一种开发“外周类原肠胚（peri-gastruloids）”的新方法。外周类原肠胚是一种类似胚胎的结构，包括支持组织之一的卵黄囊，而卵黄囊是以前的模型所缺少的。相关研究结果于2023年7月20日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids”。

论文通讯作者、德克萨斯大学西南医学中心干细胞生物学家吴军说，“虽然人类原肠胚形成和早期器官形成的非整合模型是由始发态（primed）的人类多能干细胞开发的，但这些模型缺乏在胚胎发育模式（embryo patterning）和形态发生中发挥重要作用的胚胎外细胞。胚胎组织和胚外组织的存在使得科学家们能够研究原肠胚形成期间外胚层（epiblast）、羊膜和卵黄囊之间的相互作用---这在人类以前是无法实现的。”

这些作者开发的方法使用了扩展型多能干细胞（expanded pluripotent stem cell, EPSC），而不是更常用的始发态多能干细胞。EPSC先前已被证实能在小鼠体内分化成胚胎组织和胚外组织。

通过向人类EPSC添加适当的生长因子，它们分化成了这两种类型的组织。然后，这些细胞自我组装成类似人类胚胎的结构，这些作者将之称为 “外周类原肠胚”。

胚胎外组织释放指导胚胎发育的化学信号，这使得这种外周类原肠胚能够模拟几个重要的过程，这些过程被认为是人类胚胎发育所处的黑匣子阶段的一部分。

外周类原肠胚发育为胚胎生长的羊膜腔和为胚胎提供血液供应的卵黄囊腔。此外，外周类原肠胚显示器官发生的早期迹象，如神经胚形成（neurulation），而神经胚形成标志着中枢神经系统发育的开始。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.018。

这些作者报告说，他们的方法是高效和可重复的。在他们认为是小规模的试验中，他们能够生成数百个外周类原肠胚。吴教授说，“这一模型的强大之处在于，它能够利用人体EPSC非凡的自我组装能力，将外来干预降到最低。”

作者指出，由于不包括产生胎盘的滋养层细胞（trophoblast），外周类原肠胚是不能存活的，这有助于缓解这项研究的伦理问题。该项目遵循了国际干细胞研究指南，并获得了德克萨斯大学西南医学中心干细胞监督委员会的批准。

参考资料：

Lizhong Liu et al. Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem cell-derived peri-gastruloids. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.018.