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人類胚胎早期發育的黑匣子 正在緩緩打開?

2020-01-09 15:11:00 來源:科技日報

人的生命起源于早期胚胎,但人類胚胎著床后發育是怎樣進行的?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表了昆明理工大學靈長類轉化醫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系統,首次系統揭示了原腸前人胚胎和多能干細胞的發育過程。他們所繪制的分子和形態發育全景圖,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 人類胚胎發育仍是神秘“黑匣子”

人類受精卵的發育,始于一系列卵裂和形態發生重排,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外胚層兩個胚外組織。在進入子宮后,上胚層細胞產生三胚層細胞以及整個胎兒,而后兩者分別產生卵黃囊和胎盤。對囊胚前胚胎的發育,科學家們已經開展廣泛的研究,取得了一定進展。

然而,在發育的第7天,人胚胎需植入母親的子宮中才能繼續存活和發育。這個階段胚胎在宮體發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,胚胎的發育長期以來是一個神秘的“黑匣子”。

“原腸開始形成以后,神經系統開始形成,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育?哪些因素又可以影響它的正常發育?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,是保證胎兒發育的核心關鍵期。

其中囊胚的產生,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育的核心關鍵過程,如果著床后胚胎發育營養跟上、發育正常,就可以順利長成一個胎兒;第三個階段就是原腸的形成,如果三胚層出現問題了,那么胎兒發育肯定會出現先天性發育缺陷,很多情況下會形成神經管發育不全、腦癱、脊柱發育不全等疾病。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、早期發育疾病的預防與治療極為關鍵。

繪制分子和形態發育全景圖 對早期胚胎發育的認知有望突破

“實際上,我們的研究,就是把人原腸前胚胎關鍵發育的分子機制,以及它的形態學發育過程畫出一個完整的圖,反映這個過程產生了什么樣的變化。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)條件下培養到第14天的原條階段,但未出現早期神經系統的發育,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、下胚層細胞和滋養層細胞譜系分化和發育的動態及分子調控網絡;其次,研究發現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。研究組發現,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層、絨毛外細胞滋養層和合胞體滋養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”向“始發態”的轉變。其多能干細胞表達譜的變化,主要發生在內細胞團到著床前上胚層細胞以及原條產生的兩個階段。多能干細胞在著床到第14天期間,保持相對穩定狀態,其發育和轉化是由不同的多能因子協調作用所決定的。通過人和猴子胚胎的轉錄組分析,研究組發現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,比如如何篩選優質的胚胎實現優生優育;再次,這一研究還初步搞清了干細胞發育這一再生醫學領域一個非常重要的難題。

三維人囊胚培養體系 為破解生命發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律的真實情況。同時,新近人類妊娠前胚胎發育的成果,包括《科學》雜志不久前發表的論文,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,首先通過改善培養基和培養方法,開發了一個三維(3D)人囊胚培養體系,克服二維(2D)無法模擬胚胎發育的缺陷,首次將人囊胚在3D條件下培養到第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境的培養體系,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境。此前,國內外在培養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皿進行表面接觸,成為2D環境,這樣細胞之間也只能一對一或僅發生少量的連接,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育,因此通常2D胚胎只能到第12天左右。

目前,他們自主研發的培養體系可實現3D胚胎的培育,并能高度地模擬體內胚胎的環境,胚胎經歷不同形態的發育并自發組裝成2D條件下無法產生的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,他們自主研發的培養體系,將給學界提供一個新平臺,用以研究生命前沿的相關課題。

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