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Nature突破 | 吳軍團(tuán)隊(duì)構(gòu)建世界首例人造人類胚胎樣結(jié)構(gòu)

處于囊胚期的胚胎由三種細(xì)胞組成:上胚層細(xì)胞(Epiblast, Epi)、原始內(nèi)胚層細(xì)胞(Primitive Endoderm, PrE)以及滋養(yǎng)層細(xì)胞(Trophoblast, TE)(圖1)。其中上胚層細(xì)胞會(huì)發(fā)育成成體的各種組織,而原始內(nèi)胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)層細(xì)胞則發(fā)育成胚胎外組織(如胎盤(pán)等)連接母體并為胚胎發(fā)育提供支持。

圖1,胚胎組成:上胚層細(xì)胞(綠色)、原始內(nèi)胚層細(xì)胞(黃色)以及滋養(yǎng)層細(xì)胞(藍(lán)色)。

2021年3月17日,美國(guó)德克薩斯西南醫(yī)學(xué)中心分子生物學(xué)的吳軍課題組在Nature上發(fā)表文章Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cells成功地用人多能性干細(xì)胞(Pluripotent stem cells)分化誘導(dǎo)出人類早期胚胎樣結(jié)構(gòu)(命名為Blastoid)。該結(jié)構(gòu)與人囊胚期胚胎(Blastocyst)具有類似的結(jié)構(gòu),正確地表達(dá)相應(yīng)的基因與蛋白,并且可以在體外發(fā)育2-4天,形成類羊膜囊等結(jié)構(gòu)。同一時(shí)間 ,來(lái)自澳大利亞莫納什大學(xué)(Monash University)Jose Polo團(tuán)隊(duì)(共同一作為劉曉東博士,陳家斌博士研究生)Nature雜志背靠背發(fā)表了題為Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids的封面文章,團(tuán)隊(duì)通過(guò)體細(xì)胞重編程的技術(shù)構(gòu)建了全球首例人類胚胎樣結(jié)構(gòu),一定程度上模擬了人類胚胎的整體構(gòu)造及發(fā)育過(guò)程(詳見(jiàn)BioArt今日另一條推送)


2018年,利用兩種體外培養(yǎng)的小鼠胚胎組成細(xì)胞(胚胎干細(xì)胞ESCs,胚胎外滋養(yǎng)層干細(xì)胞TSCs)科學(xué)家們首次構(gòu)建出了人造鼠胚胎,并發(fā)表于Nature雜志上。而與小鼠不同,人原始態(tài)胚胎干細(xì)胞(Na?ve Pluripotent Stem Cells)能夠同時(shí)分化出三種組成囊胚期胚胎的細(xì)胞。利用該特性,吳軍團(tuán)隊(duì)最終成功構(gòu)建出了人造人類胚胎樣結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2,人造人類胚胎樣結(jié)構(gòu)

人類人工胚胎的構(gòu)建對(duì)于人類早期胚胎發(fā)育的研究具有重大意義。早期對(duì)胚胎發(fā)育的研究集中于小鼠,但是科學(xué)家們?cè)絹?lái)越意識(shí)到,小鼠的發(fā)育與人類雖然相似,但是還是有很多區(qū)別。因此,找到合適的替代材料去研究人類胚胎發(fā)育是非常重要的。由于人類胚胎材料本身的稀缺性以及國(guó)際社會(huì)對(duì)于人類胚胎研究的“14天期限”使得這一研究被橫向縱向雙重限制,難以發(fā)展。而人工胚胎很好地解決了這兩個(gè)問(wèn)題。首先人工胚胎可以大量產(chǎn)生類囊胚結(jié)構(gòu),用于批量研究,其次人工胚胎由于跟正常受精產(chǎn)生的胚胎不同,是一種結(jié)構(gòu),或可相對(duì)容易獲得倫理方面的批準(zhǔn)支持其獲得超越“14天期限”研究。
 
深入研究胚胎的早期發(fā)育可以使我們更加了解一些人類早期重大疾病造成的流產(chǎn),畸形兒,女性受孕障礙等疾病,并為其尋找可行的解決方案;此外,人造胚胎還可以建立藥物篩選模型,通過(guò)篩選對(duì)早期胚胎發(fā)育致畸的藥物,從而為進(jìn)入臨床應(yīng)用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測(cè) (圖3)。

3,應(yīng)用及展望

該課題第一作者于樂(lè)謙博士說(shuō):“胚胎樣結(jié)構(gòu)的合成全程都在體外培養(yǎng)皿中完成,這與真正的母體內(nèi)環(huán)境千差萬(wàn)別,所以其并不是真正的胚胎,但是胚胎樣結(jié)構(gòu)的確在某些方面具有與人類胚胎相似的特性,通過(guò)對(duì)胚胎樣結(jié)構(gòu)的研究,能夠在后續(xù)為我們了解早期人類胚胎發(fā)育過(guò)程、以及早期發(fā)育相關(guān)疾病提供重要的線索。
 
該課題負(fù)責(zé)人通訊作者吳軍博士說(shuō):“我們走出了人類早期人工胚胎的第一步,但對(duì)其深入了解以及探尋還有許多未完成的部分,其功能性與真正的生命體依舊有很大差別,比如是否可以正常發(fā)育到后期。完善這個(gè)結(jié)構(gòu),以及通過(guò)該結(jié)構(gòu)對(duì)人類早期生命進(jìn)程進(jìn)行研究,可以使我們更加了解生命發(fā)展的過(guò)程,也可更好的對(duì)相應(yīng)的疾病做出應(yīng)對(duì)。我們的目標(biāo)不是創(chuàng)造,而是保護(hù)!

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