9 月 12 日，Nature 雜志發(fā)表了密歇根大學傅劍平教授團隊的一項最新成果，傅劍平及同事開發(fā)了一種可以成功模擬人類胚胎著床后關(guān)鍵過程的系統(tǒng)，這是一種用于培養(yǎng)人體多能干細胞的受控環(huán)境，它可以提高合成模型系統(tǒng)的效率和可重復性。

研究人員由此開發(fā)出來一種微流體裝置——由三個通道組成，分別用于放置細胞可嵌入的材料，裝載干細胞，以及輸運刺激干細胞分化的因子，借此研究人員能夠控制干細胞在早期人類胚胎中面向主要細胞譜系的分化，可以可靠地產(chǎn)生數(shù)百或數(shù)千種類似胚胎的結(jié)構(gòu)。

圖 | 微流控芯片的特寫照片，該芯片幫助干細胞組織成胚胎樣結(jié)構(gòu)，用于研究早期人類發(fā)育（來源：Fu Lab, Michigan Engineering）

由于該系統(tǒng)是在一種嚴格受控的環(huán)境下使用人體多能干細胞（PSC），這些合成的胚胎樣囊缺少生成可活胚胎的特化細胞類型，因此也繞過了與人類胚胎研究相關(guān)的生物倫理問題。

研究人員表示，該成果有助于增強我們對人類胚胎早期發(fā)育的理解，以及有助于母嬰健康方面重要問題的研究，比如確定孕婦在非常早的妊娠期服用藥物是否安全，尋找導致某些先天缺陷和復發(fā)性流產(chǎn)的因素等。

模擬胚胎早期發(fā)育

關(guān)于著床后早期胚胎發(fā)育的研究一直備受限制，包括細胞培養(yǎng)方法難以達到最佳標準，以及生物倫理指南禁止使用受精后培養(yǎng)超過 14 天的人類胚胎。

雖然人類和小鼠多能干細胞（可以分化為特化的細胞類型）一直被用于模擬著床后的胚胎發(fā)育，但是這類系統(tǒng)在重現(xiàn)關(guān)鍵發(fā)育事件方面的成功率是有限的。

為了模擬胚胎著床后的發(fā)育階段，即羊膜囊開始形成的時候，也是干細胞向分化成組織邁出第一步的時候，研究小組在一個可伸縮的三通道微流體系統(tǒng)中嘗試培育干細胞。中央通道包含一種模擬子宮壁的凝膠，兩側(cè)有一個通道用于為干細胞補充營養(yǎng)，另一個通道用于遞送引導。

劍平表示，“在傳統(tǒng)的 3D 培養(yǎng)中，只有不到 5% 的干細胞簇會形成胚胎樣結(jié)構(gòu)。有了這個微流體系統(tǒng)，我們可以精確地控制培養(yǎng)環(huán)境，可以達到 90% 以上的效率來產(chǎn)生類似胚胎的結(jié)構(gòu)。”

圖 | 傅劍平實驗室研制的一套微流控裝置（來源：Fu Lab, Michigan Engineering）

加載到微流體設(shè)備中的干細胞首先生長成細胞群落，并自然地形成空心球體。然后，球體鉆進凝膠中，就像早期胚胎植入子宮壁一樣。研究人員將此階段稱之為模擬外胚層的 1 號模型。

為了生成模擬羊膜囊開始階段和外胚層后部的 2 號模型，研究人員將觸發(fā)球一側(cè)干細胞的化學信號加載到微流體裝置中，這些化學信號使干細胞變成羊膜囊細胞。另一側(cè)的干細胞長得更高更薄，擠在一起，分化成類似于外胚層尾部的細胞。在真正的胚胎中，這些細胞會發(fā)育成胎兒的下部身體，也包括形成變成精子和卵子的原始生殖細胞。
這個階段包括第一個模型。

而為了生成代表外胚層上端的 3 號模型，研究人員在微流體裝置中加入阻止未分化的外胚層細胞變成后胚層細胞的信號分子，在實際的胚胎中，這些細胞會繼續(xù)形成胎兒的上部，包括頭部和中部。

胚狀體 2 號模型和 3 號模型，包含了存在于實際胚胎中的部分外胚層細胞，后部模型不包含前部細胞，反之亦然。

研究藥物安全和不孕不育

研究人員認為，模仿胚胎的干細胞結(jié)構(gòu)可以幫助填補人類早期發(fā)育知識的關(guān)鍵空白，這可能會帶來諸多好處。

“這項研究可以為我們打開一扇窗，讓我們了解懷孕后兩到四周這段關(guān)鍵但難以觀察到的時期。這是一個流產(chǎn)多發(fā)和嚴重先天缺陷開始形成的時期，一些晚發(fā)性疾病也被發(fā)現(xiàn)和早期發(fā)育之間有聯(lián)系。如果我們要制定預(yù)防措施，我們就需要更好地理解這些過程。”傅劍平說道。

圖 | 機械工程副教授傅劍平和機械工程研究員 Yi Zheng 在研究實驗室開發(fā)的微流控芯片（來源：Fu Lab, Michigan Engineering）

我們對藥物如何影響胚胎發(fā)育缺乏了解，這是一個嚴重的公共健康問題。但是目前關(guān)于人類發(fā)育最準確的見解，來自于對大型動物或完整人類胚胎的有限研究，因此也不可能在足夠大的范圍內(nèi)進行化學和藥物篩選等應(yīng)用。美國疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and Prevention）援引的一項研究發(fā)現(xiàn)，在孕婦懷孕前三個月使用的 54 種最常見的藥物中，63% 的藥物的風險數(shù)據(jù)“非常有限”，只有 4% 擁有“優(yōu)秀”的數(shù)據(jù)。

而傅劍平團隊所做出的最新系統(tǒng)，則有望幫助篩查懷孕早期藥物的安全性。此外，利用該系統(tǒng)我們還能夠深入了解一些先天缺陷的原因，例如致命的先天無腦畸形（部分大腦或頭骨沒有發(fā)育）、脊柱裂（脊髓受損，在某些情況下導致嚴重殘疾），以及每年有 4 萬名新生兒發(fā)病的先天性心臟病等。

模擬胚胎早期發(fā)育，研究不孕不育等問題（來源：Fu Lab, Michigan Engineering）

由于該系統(tǒng)與經(jīng)過重新編程的成年細胞（以及胚胎干細胞）協(xié)同工作，也可能有助于研究不孕不育。目前，尋求生育治療的夫婦中有 30% 無法找到他們不能懷孕的原因。傅劍平說：“這項工作提供了一個可控和可擴展的實驗平臺，可以提出與人類發(fā)育和繁殖相關(guān)的重要問題。我們的發(fā)現(xiàn)表明，人類的發(fā)育與其他哺乳動物非常不同，不同的信號通路參與其中。所以這是目前唯一一種不用完整的人類胚胎來精確研究人類發(fā)育的方法。”

參考：
https://news.umich.edu/breakthrough-stem-cell-platform-could-shed-light-on-mysteries-of-early-human-development/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1535-2

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