Nature：打开人类胚胎早期发育的 “黑匣子”
2019-12-13 佚名 中国科学报
临床上，30%~40% 的情况下，胚胎会出现无法着床或正常发育的现象，部分原因来自胚胎，然而具体机制尚不清晰。阐明胚胎从着床开始的早期发育情况，对不孕症的干预、试管婴儿技术成功率的提升至关重要。
然而人类胚胎在植入子宫后的早期发育情况，由于伦理和技术的限制而长期处于 “黑匣子” 般的状态。
12 月 12 日，昆明理工大学灵长类转化研究院李天晴和季维智团队与云南省第一人民医院生殖科合作，宣布开发出一个三维（3D）人囊胚培养体系，并且首次绘制了人原肠前胚胎的发育全景图，为研究着床后的人类早期胚胎发育建立了研究基础。相关研究成果在线发表于《自然》。
7 天之后的 “黑暗地带”
人类胚胎发育到第 7 天，需要植入母亲的子宫，才能继续存活和发育。
7 天后，胚胎在子宫中发生了什么变化，导致这些变化的关键细胞和分子事件是什么？出于伦理考虑和技术限制，这些问题很难用实验手段解析。
如果能在体外环境下让人类胚胎继续发育，并且仍能呈现胚胎在体内发育的结构和进程，将为深入认识人类胚胎发育机制打开更广阔的局面。
早在 2016 年，英国剑桥大学和美国洛克菲勒大学的两个科研团队在二维（2D）培养皿中成功将人囊胚延迟培养到 12～13 天，这些 2D 培养的胚胎初步显示出体内胚胎发育的一些简单结构。这项里程碑式的工作被《科学》评为 2016 年全球十大科技进展之首，也带动全世界科学家展开了一系列新兴研究。
2019 年 8 月，北京大学乔杰课题组和汤富酬课题组应用上述体外模拟人类胚胎着床培养体系，首次阐述了人类胚胎着床过程（受精后第 5 天到 14 天）的基因表达调控网络和 DNA 甲基化动态变化规律，解析了围着床期胚胎发育的分子调控机制。
然而，2D 培养的胚胎作为研究材料有着先天缺陷。这些胚胎是扁平的，与子宫内的胚胎在形态上、细胞之间的拓扑关系上有着明显差异。尽管这些胚胎 12 天后仍在继续存活，但整个胚胎结构发生了坍塌和紊乱，导致很多细胞类型（羊膜上皮）、腔（羊膜腔、卵黄囊）和结构（基底膜、前后轴、原条）都无法清楚观测。
“这些缺陷决定了 2D 体外培养体系很难真正模拟体内胚胎的发育。” 此次发表论文的通讯作者之一、昆明理工大学灵长类转化研究院教授李天晴对《中国科学报》说。
从 2D 走向 3D
李天晴课题组多年来在培养基设计和组织细胞培养上积累了丰富经验。这一次，他们改善培养基成分和培养方法，加入一定生物材料来模拟子宫内部环境，支撑胚胎以 3D 结构生长发育。
研究人员利用这一体系，在获得伦理允许和病人知情同意的条件下，首次将临床上捐献的人囊胚在 3D 条件下培养到原条阶段（第 14 天），但未出现早期神经系统的发育，符合当前胚胎研究的国际伦理。
这些 3D 胚胎能高度模拟体内胚胎的发育，经历不同形态的发育并自发组装成 2D 条件下无法产生的 3D 结构。
研究揭示了一些有趣的事实：与小鼠等啮齿类动物不同，人的羊膜上皮细胞发生于原条形成之前；猴子和人上胚层细胞在代谢上具有明显差异，而在维持干细胞多能性以及发育的关键分子和信号通路上具有保守性；上胚层细胞（PSCs，多能干细胞）着床后将很快从原始态转变到始发态。其 PSCs 表达谱的变化，主要发生在内细胞团到着床前上胚层细胞以及原条产生的两个阶段，PSCs 在着床到第 14 天期间保持相对稳定状态……
“关于多能干细胞的发现尤为重要。” 李天晴说，“原始态干细胞的分化能力和嵌合能力远远高于始发态。但现实中很难获得原始态干细胞系。如果我们能研究清楚多能干细胞从原始态到始发态的转化过程，对干细胞的研究和应用有很重要的意义。”
探索哺乳动物的 “里程碑事件”
本文另一位通讯作者，中国科学院院士、昆明理工大学灵长类转化医学研究院院长季维智告诉《中国科学报》，该院长期关注灵长类动物胚胎早期着床后发育的研究。2019 年 10 月底，该院协同多个单位，实现了食蟹猴胚胎体外 20 天的培养，并对这一过程的细胞和分子变化进行了详细研究。
“灵长类胚胎早期着床后发育是哺乳动物发育中的里程碑事件，然而这一阶段也是胚胎发育研究中最不清楚的时期之一。” 季维智说，“这一阶段发育的异常不仅会导致胚胎流产，也会对将来整个个体的生长与发育产生深远影响。系统研究这一阶段的细胞及分子生物学事件，有着非常重要的意义。”
“然而我们无法直接在人体内对这一阶段进行观察。” 未参与此项研究的同济大学教授高绍荣一直关注着这项工作的进展，“在体外建立一个可以较好模拟体内环境的胚胎培养体系，就能让我们充分了解这一过程中发生的微观事件，比如人体发育早期的细胞分化、组织分化和器官形成等过程。”
“3D 培养技术相较之前的 2D 培养技术，优势在于体外创造一个更接近母体子宫的环境，更准确地展现更多发育细节。” 高绍荣说，“这是一项值得期待的技术。”
原始出处：
Xiang， L.， Yin， Y.， Zheng， Y. et al. A developmental landscape of 3D-cultured human pre-gastrulation embryos. Nature (2019) doi：10.1038/s41586-019-1875-y.
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