Cell：无需卵子、精子和子宫，干细胞成功培育出胚胎 - 再活一甲子

研究亮点：利用干细胞和生物反应器，研究人员培育出存活了一周多，并开始发育内部器官的胚胎。

卵子遇到精子——这是生命开始的必要第一步，也是胚胎发育研究中常见的第一步。然而，8月1日，以色列魏茨曼科学研究所的科学家们在Cell上发表文章报道，他们成功利用干细胞在子宫外培育出小鼠的合成胚胎模型，这一过程无需精卵结合。该方法为研究干细胞如何在发育的胚胎中形成各种器官开辟了新的视野，并且使利用合成胚胎模型生成用于移植的组织和器官成为可能。

具有不同发育能力的体外培养的干细胞在显微注射到哺乳动物胚胎中后，可以促进胚胎或胚胎外组织的形成。然而，培养的干细胞是否可以独立产生具有胚胎和胚胎外隔室（compartments）的整个原肠胚样结构仍然未知。

在这项研究中，Jacob Hanna教授领导团队采用最近建立的自然胚胎体外长时间生长平台，仅从原始胚胎干细胞（ESC）开始，生成小鼠原肠胚形成后合成全胚胎模型（sEmbryos），包括胚胎和胚胎外隔室，进行相关探索。

知识卡：胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESCs）是早期胚胎（原肠胚期之前）或原始性腺中分离出来的一类细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。

Hanna的这项最新成果建立在其实验室之前的两项成果之上：第一项成果是将干细胞重新编程回naïve状态（此时有最大潜力分化成不同类型细胞）的有效方法；第二项成果是该团队开发的在子宫外培育天然小鼠胚胎的电子控制设备，使用该设备能成功实现第5天到第11天的天然小鼠胚胎培养，该项成果曾在2021年3月发表在Nature上。

在这篇最新的论文中，研究团队开发了一种从干细胞培养合成小鼠胚胎模型的创新方法。在将干细胞放入设备培养之前，研究人员将它们分成3组。其中一种含有本来要发育成胚胎器官的细胞，不作处理。另外两组的细胞被预处理48小时，以分别过度表达两种基因中的一种：胎盘或卵黄囊的主调控因子。

3组细胞在体外培养的装置内混合在一起不久后，就聚集成聚集体，其中绝大多数未能正常发育。但是约0.5%继续形成球体，每个球体后来都变成了细长的胚胎状结构。由于研究人员用不同的颜色标记了3组细胞，所以能够观察到在胚胎外形成的胎盘和卵黄囊，以及模型的发育过程。

从第1天（左上）到第8天（右下）合成胚胎的发育（来源：魏茨曼科学研究所）

这些合成模型能正常发育到第8.5天（几乎是小鼠妊娠20天的一半），在此阶段所有早期器官祖细胞都已经形成，包括心脏、血液循环、大脑、神经和肠道。与天然小鼠胚胎相比，合成模型在内部结构的形状和不同细胞类型的基因表达模式上显示出95%的相似性。不过，在第8天后，发育停止，胚胎的心脏开始致命地增大。

8天大的合成胚胎(上)和自然胚胎(下)的发育结构（来源：魏茨曼科学研究所）

Hanna说：“这项研究提出了一个新的领域。我们的下一个挑战是了解干细胞是如何知道该做什么的，即它们如何自我组装成器官并找到通往指定位置的途径。而且由于体外培养系统与子宫不同，所以可能对模拟人类胚胎的出生和植入缺陷很有用。”

虽然胚胎干细胞研究一直是一个颇具争议的领域，但如果能使这项研究助力于疾病治疗，比如从患者身上进行皮肤活检并将其转化为干细胞，然后可以长成他们需要的任何东西（一个用于移植的完美匹配的肾脏，或用来治疗血液癌症的健康的骨髓细胞），那该领域未来的可能性将越发值得探索。