建立三維培養(yǎng)系統(tǒng)、繪制分子和形態(tài)發(fā)育全景圖
人類胚胎早期發(fā)育的黑匣子 正在緩緩打開？

人的生命起源于早期胚胎，但人類胚胎著床后發(fā)育是怎樣進行的？胎兒形成即原腸前人胚胎和多能干細胞的發(fā)育過程有沒有圖跡可循？科學家們一直在為這些生命難題找尋答案。

國際頂級期刊《自然》日前以長文形式在線發(fā)表了昆明理工大學靈長類轉化醫(yī)學研究院的李天晴教授和季維智院士等與云南省第一人民醫(yī)院合作完成的一項研究成果，他們首次建立人胚胎三維培養(yǎng)系統(tǒng)，首次系統(tǒng)揭示了原腸前人胚胎和多能干細胞的發(fā)育過程。他們所繪制的分子和形態(tài)發(fā)育全景圖，填補了相關領域的空白，為研究胚胎著床后早期發(fā)育建立了重要的研究基礎。

從受精卵著床到第14天原腸胚形成前 人類胚胎發(fā)育仍是神秘“黑匣子”

人類受精卵的發(fā)育，始于一系列卵裂和形態(tài)發(fā)生重排，形成囊胚。晚期囊胚包含三個不同的細胞譜系，即上胚層細胞及內胚層細胞和滋養(yǎng)外胚層兩個胚外組織。在進入子宮后，上胚層細胞產(chǎn)生三胚層細胞以及整個胎兒，而后兩者分別產(chǎn)生卵黃囊和胎盤。對囊胚前胚胎的發(fā)育，科學家們已經(jīng)開展廣泛的研究，取得了一定進展。

然而，在發(fā)育的第7天，人胚胎需植入母親的子宮中才能繼續(xù)存活和發(fā)育。這個階段胚胎在宮體發(fā)育時三維時空上受到復雜而精細的調控，受限于倫理和研究技術的限制，研究材料無法獲得，同時又缺乏相應的體外研究體系，從受精卵著床到第14天的原腸胚形成前，胚胎的發(fā)育長期以來是一個神秘的“黑匣子”。

“原腸開始形成以后，神經(jīng)系統(tǒng)開始形成，逐漸形成胎兒，就不是胚胎了。早期胚胎在子宮內究竟發(fā)生了什么樣的變化？什么樣的分子機制可以調控和維持它的正常發(fā)育？哪些因素又可以影響它的正常發(fā)育？這些都是需要解決的問題。”李天晴告訴科技日報記者，其實人懷孕的前2至3周，是保證胎兒發(fā)育的核心關鍵期。

其中囊胚的產(chǎn)生，約在第5至6天時間內，形成了生命的第一次譜系分化；第二個階段實際上就是開始著床的階段，這是決定胚胎能不能往下發(fā)育的核心關鍵過程，如果著床后胚胎發(fā)育營養(yǎng)跟上、發(fā)育正常，就可以順利長成一個胎兒；第三個階段就是原腸的形成，如果三胚層出現(xiàn)問題了，那么胎兒發(fā)育肯定會出現(xiàn)先天性發(fā)育缺陷，很多情況下會形成神經(jīng)管發(fā)育不全、腦癱、脊柱發(fā)育不全等疾病。第一個階段當前研究比較多，對第三個階段，由于存在較大的倫理問題，目前還無法開展相關研究。

因此，原腸前著床階段的研究，對人胚胎發(fā)育關鍵事件的理解，以及對人類干細胞、組織器官再生研究和應用，同時對不孕癥、早期發(fā)育疾病的預防與治療極為關鍵。

繪制分子和形態(tài)發(fā)育全景圖 對早期胚胎發(fā)育的認知有望突破

“實際上，我們的研究，就是把人原腸前胚胎關鍵發(fā)育的分子機制，以及它的形態(tài)學發(fā)育過程畫出一個完整的圖，反映這個過程產(chǎn)生了什么樣的變化。也就是說，我們的研究有望打開人類胚胎最初階段的‘黑匣子’，有望對生命的認知獲得突破。”李天晴說。

研究組首次將人囊胚在三維（3D）條件下培養(yǎng)到第14天的原條階段，但未出現(xiàn)早期神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，符合胚胎研究的國際倫理準則。研究取得的突破，主要是揭示了上胚層細胞、下胚層細胞和滋養(yǎng)層細胞譜系分化和發(fā)育的動態(tài)及分子調控網(wǎng)絡；其次，研究發(fā)現(xiàn)羊膜上皮細胞是上胚層細胞分離出來的第一類細胞系，不同于嚙齒類動物，人羊膜上皮細胞發(fā)生于原條形成之前，但其特性和分子機制還不清楚。研究組發(fā)現(xiàn)，與上胚層細胞相比，羊膜上皮細胞顯著地下調多能性基因，其形成與基底膜的缺失顯著相關，并有獨特的分子表達譜。他們還首次闡明細胞滋養(yǎng)層、絨毛外細胞滋養(yǎng)層和合胞體滋養(yǎng)細胞在胚胎著床后的分化以及引起分化的信號和轉錄因子，揭示了絨毛外細胞滋養(yǎng)層在早期胚胎中不同于中、后期胎盤的功能。

此外，他們還揭示了上胚層細胞即多能干細胞著床后，就很快從“原始態(tài)”向“始發(fā)態(tài)”的轉變。其多能干細胞表達譜的變化，主要發(fā)生在內細胞團到著床前上胚層細胞以及原條產(chǎn)生的兩個階段。多能干細胞在著床到第14天期間，保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，其發(fā)育和轉化是由不同的多能因子協(xié)調作用所決定的。通過人和猴子胚胎的轉錄組分析，研究組發(fā)現(xiàn)猴子和人上胚層細胞在代謝上具有明顯差異，而在維持干細胞多能性以及發(fā)育的關鍵分子和信號通路上具有保守性。

李天晴表示，通過此項研究，我們對人生命的認識也更加深刻。未來，人們可以由此提高試管嬰兒的成功率，解決人類生殖發(fā)育的一系列問題；其次，可能找到一些早期的標志物，比如如何篩選優(yōu)質的胚胎實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育；再次，這一研究還初步搞清了干細胞發(fā)育這一再生醫(yī)學領域一個非常重要的難題。

三維人囊胚培養(yǎng)體系 為破解生命發(fā)育相關謎題提供全新平臺

正如前文所述，此前學界無法獲得自然受孕后早期著床后階段的人類胚胎，因此多用嚙齒類胚胎或非人靈長類胚胎等模式生物替代研究，但這樣就無法準確反映人類分子調控等規(guī)律的真實情況。同時，新近人類妊娠前胚胎發(fā)育的成果，包括《科學》雜志不久前發(fā)表的論文，仍然受到二維技術平臺的限制，無法模擬體內條件。

李天晴介紹說，在獲得嚴格的倫理允許和病人知情同意的條件下，研究組利用臨床捐獻的胚胎，首先通過改善培養(yǎng)基和培養(yǎng)方法，開發(fā)了一個三維（3D）人囊胚培養(yǎng)體系，克服二維（2D）無法模擬胚胎發(fā)育的缺陷，首次將人囊胚在3D條件下培養(yǎng)到第14天的原條階段，以更接近體內的真實條件。

“建立3D胚胎的核心，在于細胞的生長需要有最接近人體生理環(huán)境的培養(yǎng)體系，這個體系可理解為供給細胞和胚胎的食物與胚胎生長的空間環(huán)境。此前，國內外在培養(yǎng)體系的研究還有諸多缺陷，導致所培育的胚胎細胞無法保持空間的立體結構，如一灘水一樣，表面塌陷，因此細胞只能和培養(yǎng)皿進行表面接觸，成為2D環(huán)境，這樣細胞之間也只能一對一或僅發(fā)生少量的連接，這對進一步研究細胞之間的相互作用具有重大缺陷。”李天晴表示，實際上，細胞與細胞之間的接觸，原本是三維的環(huán)境，如同我們把一顆水珠懸起來，不讓它塌下去。由于2D條件缺乏空間支撐的結構，胚胎到了一定時間就無法進一步發(fā)育，因此通常2D胚胎只能到第12天左右。

目前，他們自主研發(fā)的培養(yǎng)體系可實現(xiàn)3D胚胎的培育，并能高度地模擬體內胚胎的環(huán)境，胚胎經(jīng)歷不同形態(tài)的發(fā)育并自發(fā)組裝成2D條件下無法產(chǎn)生的3D結構，包括胚胎雙層杯盤、羊膜、基底膜、初級和靈長類獨特的次級卵黃囊、前后軸和原條。李天晴深信，他們自主研發(fā)的培養(yǎng)體系，將給學界提供一個新平臺，用以研究生命前沿的相關課題。

本報記者 趙漢斌