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干细胞是人体的主细胞，可以发育成体内几乎任何类型的细胞。这项工作由剑桥大学和加州理工学院 (Caltech) 的研究人员完成。一篇描述这一突破的论文8 月 25 日发表在《自然》杂志上。 请关注“干细胞与外泌体”微信公众号，了解更多行业信息
天然和合成胚胎与心脏和头部褶皱并排染色。由 M. Zernicka-Goetz 提供 这些结果是 10 多年研究的结晶，它们可以帮助科学家了解为什么有些胚胎会失败，而另一些胚胎会在健康怀孕期间继续发育成胎儿。此外，该结果可用于指导用于移植的合成人体器官的修复和发育。 一篇描述这一突破的论文8 月 25 日发表在《自然》杂志上。这项研究是在加州理工学院生物学和生物工程布伦教授 Magdalena Zernicka-Goetz 的实验室进行的。Zernicka-Goetz 还是剑桥大学生理学、发育和神经科学系哺乳动物发育和干细胞生物学教授。 在胚胎模型的开发中没有使用精子或卵子。相反，通过引导哺乳动物早期发育中存在的三种不同类型的干细胞进入它们开始相互作用的阶段，研究人员能够在实验室中模拟自然过程。科学家们能够通过诱导一组特定基因的表达并为它们的相互作用建立一个独特的环境，让干细胞相互“交谈”。
天然和合成胚胎并排显示出相当的大脑和心脏形成。 随着时间的推移，干细胞自我组织成结构，这些结构经历了连续的发育阶段，直到合成胚胎拥有跳动的心脏和大脑的基础。他们甚至拥有胚胎发育的卵黄囊，并在最初几周从中获得营养。这是迄今为止在干细胞衍生模型中实现的最先进的发展阶段。 这项研究的一个重大进展是产生整个大脑的能力，特别是前部区域，这一直是合成胚胎发育的“圣杯”。 “这为在实验模型中研究神经发育机制开辟了新的可能性，”Zernicka-Goetz 说。“事实上，我们通过敲除一个已知对神经管形成、神经系统前体以及大脑和眼睛发育至关重要的基因，在论文中证明了这一原理的证据。在没有这种基因的情况下，合成胚胎与携带这种突变的动物一样，准确地显示出已知的大脑发育缺陷。这意味着我们可以开始将这种方法应用于大脑发育中功能未知的许多基因。” “我们的小鼠胚胎模型不仅会发育出大脑，还会发育出跳动的心脏，以及构成身体的所有成分，”她解释道。“令人难以置信的是，我们已经走到了这一步。这是我们社区多年来的梦想，也是我们十年来工作的主要重点，最终我们做到了。” 为了使人类胚胎成功发育，需要在将成为胚胎的组织与将胚胎与母亲连接起来的组织之间进行“对话”。在受精后的第一周，三种干细胞会发育：一种最终会成为身体的组织，另外两种会支持胚胎的发育。后两种类型中的一种，称为胚胎外干细胞，将成为胎盘，将胎儿与母亲连接起来并提供氧气和营养。另一个将成为卵黄囊，胚胎在这里生长并在早期发育中从中获取营养。 当这三种干细胞开始相互发送机械和化学信号时，许多妊娠失败，这些信号告诉胚胎如何正常发育。 “这个早期阶段是怀孕后其他一切的基础，”Zernicka-Goetz 说。“如果出了问题，怀孕就会失败。” 在过去的十年中，Zernicka-Goetz 的团队一直在调查这些怀孕的早期阶段，以了解为什么有些怀孕会失败而有些会成功。 Zernicka-Goetz 说：“干细胞胚胎模型很重要，因为它使我们能够在一个通常对我们隐藏的阶段接近发育中的结构，因为微小的胚胎植入了母亲的子宫。” “这种可访问性使我们能够操纵基因以了解它们在模型实验系统中的发育作用。” 为了指导他们合成胚胎的发育，科学家们将代表三种组织的培养干细胞放在一起。它们允许它们按比例发育，并在一个有利于它们成长和相互交流的环境中发育，最终使它们自组装成胚胎。 研究人员发现，胚胎外细胞通过化学信号向胚胎细胞发出信号，但也通过机械或触摸来指导胚胎的发育。 “人类生命的这一时期是如此神秘，因此能够看到它是如何在培养皿中发生的——获得这些个体干细胞，了解为什么如此多的怀孕失败，以及我们如何能够防止这种情况发生——非常特别，”Zernicka-Goetz 说。“我们研究了当时不同类型干细胞之间必须发生的对话——我们已经展示了它是如何发生的以及它是如何出错的。” 虽然目前的研究是在小鼠模型中进行的，但科学家们正在开发一种类似的人类胚胎发育模型，以了解在真实胚胎中无法研究的关键过程背后的机制。 如果这些方法在未来被证明在人类干细胞上取得成功，它们也可以用来指导等待移植的患者合成器官的发展。Zernicka-Goetz 说：“世界上有这么多人等待器官移植多年。” “让我们的工作如此令人兴奋的是，从中获得的知识可以用来培育正确的合成人体器官，以挽救目前失去的生命。也应该有可能利用我们所掌握的关于它们是如何制造的知识来影响和治愈成人器官。” Reference: “Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis” 25 August 2022, Nature. |
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