Nature：人造胚胎发育出完整大脑结构和心脏，成功模拟自然胚胎

许多科幻作品都描述过这样一个场景：未来的人类在一个容器里孕育生长，而且无需精子和卵子的结合，只需一小团细胞便能制造出许多“新人类”。人造子宫，无性繁殖，这些概念似乎只存在于科幻作品中，但随着科学技术的发展，这些科幻概念正在一步步写入现实。

2022年8月25日，英国剑桥大学和美国加州理工学院等机构的研究人员在 Nature 期刊发表了题为：Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis（合成胚胎完成原肠发育到神经形成和器官形成）的研究论文。

该研究构建了一种干细胞来源的合成小鼠胚胎。这一胚胎模型复现了自然小鼠胚胎从受精到第8.5天的各个发育阶段，包括清晰脑区域划分、一个神经管以及一个搏动的心脏样结构的形成，并可以用来观察基因敲除对胚胎发育的影响。

胚胎干细胞（ESCs）能够在实验室形成胚胎样结构，但是这些人造胚胎模型无法全然模拟发育的所有阶段，例如，它们无法完全复现神经胚（neurula）的形成过程，更不要说后续脑和脊髓的分化。

值得注意的是，在自然发育过程中，受精卵不仅分化为胚胎干细胞，还包括形成卵黄囊的内脏内胚层（VE）以及形成胎盘的胚胎外胚层（ExE）。胚胎干细胞（ESCs）需要与这些胚胎外干细胞相互作用才能充分发挥其发育能力。

基于此，研究团队通过将胚胎干细胞（ESCs）与来自胚胎外胚层（ExE）前体的滋养层干细胞（TSCs）以及来自内脏内胚层（VE）前体的胚外内胚层干细胞（XEN）聚集在一起来组装人造小鼠胚胎——ETiX胚状体（ETiX-embryoid）。

令人兴奋的是，通过这种方式生成的ETiX胚状体能够发育到神经胚形成之后，即相当于自然小鼠胚胎至受精后8.5天的发育程度（小鼠的整个妊娠期约为20天），并形成了所有大脑区域、一个神经管、一个搏动的心脏和一个肠管。神经管两侧有发育的神经褶，尾部形成原始生殖细胞，这个完整的胚胎模型在形成血岛的胚外卵黄囊内发育。

研究团队表示，ETiX胚状体完全通过三种干细胞类型的自组织来实现此结果，而不需要提供任何额外的外部信号。此外，与其他干细胞来源的胚胎模型相比，ETiX胚状体的大脑头褶（cephalic fold ）结构的形态发生方式与自然胚胎非常相似。

该研究的第一作者 Gianluca Amadei 博士表示，目前，我们还没有研究肠道及其相关器官内胚层祖细胞建立以外的发展，可能有必要优化培养条件来实现这一目标。然而，我们相信，在适当的培养条件下，ETiX胚状体在培养中不会进一步发育。

在进一步实验中，研究团队成功展示了敲除Pax6基因（参与眼部和其他感觉器官的发育）的胚状体模型，导致的效果和自然Pax6敲除的小鼠胚胎相似。从这一点来看，ETiX胚状体模型可以很好地在体外模拟敲除基因对胚胎发育的影响，为研究特定基因对发育的影响提供了一个十分便利的研究模型。

Gianluca Amadei 博士表示，后续计划将ETiX胚状体模型应用于解剖分子途径和筛选影响胚胎发生的化学药物。

总而言之，这项 Nature 最新研究表明，胚胎干细胞和两种类型的胚外干细胞具有自组织能力，所形成的ETiX胚状体模型可通过原肠发育、神经形成和早期器官发生重建哺乳动物的发育，由此提供了一个有用的生理学胚胎发育模型，为研究发育和疾病机制提供了新机会。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3

转自：“生物世界”微信公众号

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