為何不孕流產(chǎn)？人類囊胚模型或許能解答
多個(gè)研究小組從人類干細(xì)胞中制造出了人類胚胎最早期發(fā)育階段的囊胚模型。Credit: UT Southwestern
撰文 | 杜憶南 紀(jì)冬梅
責(zé)編 | 計(jì)永勝
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生命起始于精卵結(jié)合。隨后，這枚受精卵細(xì)胞一邊向著子宮的方向前進(jìn)，一邊發(fā)生分裂。當(dāng)它抵達(dá)子宮合適部位的時(shí)候已經(jīng)演變成由滋養(yǎng)層（Trophectoderm）、上胚層（Epiblast）和下胚層（Hypoblast）組成的囊胚（Blastocyst）。囊胚著床后，也就是與母體細(xì)胞 “緊密” 銜接后，滋養(yǎng)層、上胚層和下胚層分別發(fā)育為胎盤(pán)、胚體和卵黃囊……
探索人類胚胎的發(fā)育機(jī)制，尤其是最早期囊胚的形成與發(fā)育過(guò)程，是我們解析早期流產(chǎn)、不孕不育和出生缺陷等臨床問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。
遺憾的是，雖然已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功地利用小鼠干細(xì)胞在體外實(shí)現(xiàn)小鼠囊胚模型的構(gòu)建，但是在人囊胚樣結(jié)構(gòu)的模型研究上，科學(xué)家舉步維艱，先前只能分別誘導(dǎo)出上胚層、滋養(yǎng)外胚層和下胚層細(xì)胞，而不能將三者有機(jī)整合為囊胚結(jié)構(gòu)。
2021年3月17日，《自然》雜志報(bào)道了兩項(xiàng)突破進(jìn)展。美國(guó)德克薩斯西南醫(yī)學(xué)研究中心教授吳軍團(tuán)隊(duì)和澳大利亞蒙納士大學(xué)教授何塞·波羅（Jose Polo）團(tuán)隊(duì)分別利用人類多能干細(xì)胞誘導(dǎo)和成體細(xì)胞重編程技術(shù)成功獲得了人類胚胎最早期發(fā)育階段的囊胚模型（被命名為Blastoid和iBlastoid）[1,2]。這兩個(gè)囊胚樣結(jié)構(gòu)均包含了人類真實(shí)囊胚中的干細(xì)胞類型，空間分布一致，并可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬人類早期胚胎的發(fā)育和著床過(guò)程。
“這兩項(xiàng)研究將分散的信息完美整合在一起，為我們了解胚胎最早期的發(fā)育方式構(gòu)建了具有潛在應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/span>而我們對(duì)胚胎最早期的發(fā)育知之甚少?！?加拿大多倫多兒童醫(yī)院發(fā)育生物學(xué)家珍妮特·羅森特（Janet Rossant） 評(píng)論道 [3]。
圖1. 吳軍團(tuán)隊(duì)體外構(gòu)建的人類囊胚模型。（圖源：參考文獻(xiàn)[1]）
吳軍團(tuán)隊(duì)主要使用的是多能干細(xì)胞?？蒲腥藛T將干細(xì)胞置于3D培養(yǎng)系統(tǒng)，先用下胚層細(xì)胞分化培養(yǎng)基（Hypoblast differentiation medium，HDM）培養(yǎng)，后改為滋養(yǎng)層細(xì)胞分化培養(yǎng)基（Trophoblast differentiation medium，TDM）。數(shù)天后獲得了囊胚樣結(jié)構(gòu)（Blastoid）。
囊胚樣結(jié)構(gòu)在形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞種類數(shù)量和基因表達(dá)上都與真實(shí)的人囊胚（受精后6天）高度相似。并且，從囊胚樣結(jié)構(gòu)中分離出的細(xì)胞（上胚層細(xì)胞、滋養(yǎng)層細(xì)胞和下胚層細(xì)胞）有進(jìn)一步地向?qū)?yīng)方向分化的干細(xì)胞潛能。此外，通過(guò)體外模擬子宮植入實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)一部分囊胚樣結(jié)構(gòu)能粘附在培養(yǎng)皿上發(fā)育，其中某些能生成類似于真實(shí)囊胚在著床后的羊膜囊腔和卵黃囊腔的結(jié)構(gòu)。
何塞·波羅團(tuán)隊(duì)同樣使用了3D細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，但他們是將人體成纖維細(xì)胞進(jìn)行了重新編程，誘導(dǎo)成為囊胚樣結(jié)構(gòu)，并命名為iBlastoid。iBlastoid也同時(shí)具備上胚層、滋養(yǎng)層和下胚層細(xì)胞，并能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下繼續(xù)發(fā)育。
圖2. 何塞·波羅團(tuán)隊(duì)體外構(gòu)建的人類囊胚模型。（圖源：參考文獻(xiàn)[2]）
這兩項(xiàng)研究的確取得了重大突破，但兩篇論文的作者在描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)仍很謹(jǐn)慎，承認(rèn)研究的局限性，比如對(duì)囊胚樣結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)效率有待提升，獲得率還不夠穩(wěn)定；單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果提示囊胚樣結(jié)構(gòu)中還包含了一些在真實(shí)囊胚中并不存在的細(xì)胞類型。同時(shí)，由于法律與倫理限制，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)均沒(méi)有將囊胚樣結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)培養(yǎng)（未超真實(shí)胚胎發(fā)育14天限制），因此無(wú)法評(píng)估該囊胚模型后續(xù)發(fā)育中與真實(shí)囊胚的吻合度。
吳軍在接受《科學(xué)》雜志采訪時(shí)也強(qiáng)調(diào)，囊胚樣結(jié)構(gòu)不是胚胎，“它只是胚胎發(fā)育最早期階段的多種細(xì)胞的集合” [4]。由于涉及到生物醫(yī)學(xué)倫理，普通民眾之間對(duì)這些研究成果的看法可能會(huì)存在差異，正如加州大學(xué)舊金山分校生殖和發(fā)育學(xué)教授蘇珊·費(fèi)舍爾（Susan Fisher）所言，這將檢測(cè)科學(xué)家和大眾對(duì)細(xì)胞集合的理解有何不同 [4]。
值得一提的是，預(yù)印本網(wǎng)站bioRxiv分別于3月9日和3月12日發(fā)布了北京大學(xué)第三醫(yī)院研究員于洋團(tuán)隊(duì)和加州理工學(xué)院生物學(xué)與生物工程部教授瑪格達(dá)琳娜·澤尼卡·戈茨（Magdalena Zernicka-Goetz）團(tuán)隊(duì)關(guān)于用人類多能干細(xì)胞構(gòu)建囊胚樣結(jié)構(gòu)的文章 [5,6]。
“體外人類囊胚模型為早期胚胎著床失敗或著床后發(fā)育異常導(dǎo)致的不孕或流產(chǎn)提供了直接的研究材料，也適用于環(huán)境暴露組學(xué)與相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?！?安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心主任曹云霞教授點(diǎn)評(píng)道，“該模型還可以用于胚胎植入前與產(chǎn)前診斷技術(shù)用于阻斷遺傳性疾病傳遞的研究，具有廣闊的臨床研究與應(yīng)用價(jià)值?！?nbsp;
制版編輯 | 盧卡斯
