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人类胚胎早期发育的黑匣子 正在缓缓打开?

2020-01-09 15:11:00 来源:科技日报
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人的生命起源于早期胚胎,但人类胚胎着床后发育是怎样进行的?胎儿形成即原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程有没有图迹可循?科学家们一直在为这些生命难题找寻答案。

国际顶级期刊《自然》日前以长文形式在线发表了昆明理工大学灵长类转化医学研究院的李天晴教授和季维智院士等与云南省第一人民医院合作完成的一项研究成果,他们首次建立人胚胎三维培养系统,首次系统揭示了原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程。他们所绘制的分子和形态发育全景图,填补了相关领域的空白,为研究胚胎着床后早期发育建立了重要的研究基础。

从受精卵着床到第14天原肠胚形成前 人类胚胎发育仍是神秘“黑匣子”

人类受精卵的发育,始于一系列卵裂和形态发生重排,形成囊胚。晚期囊胚包含三个不同的细胞谱系,即上胚层细胞及内胚层细胞和滋养外胚层两个胚外组织。在进入子宫后,上胚层细胞产生三胚层细胞以及整个胎儿,而后两者分别产生卵黄囊和胎盘。对囊胚前胚胎的发育,科学家们已经开展广泛的研究,取得了一定进展。

然而,在发育的第7天,人胚胎需植入母亲的子宫中才能继续存活和发育。这个阶段胚胎在宫体发育时三维时空上受到复杂而精细的调控,受限于伦理和研究技术的限制,研究材料无法获得,同时又缺乏相应的体外研究体系,从受精卵着床到第14天的原肠胚形成前,胚胎的发育长期以来是一个神秘的“黑匣子”。

“原肠开始形成以后,神经系统开始形成,逐渐形成胎儿,就不是胚胎了。早期胚胎在子宫内究竟发生了什么样的变化?什么样的分子机制可以调控和维持它的正常发育?哪些因素又可以影响它的正常发育?这些都是需要解决的问题。”李天晴告诉科技日报记者,其实人怀孕的前2至3周,是保证胎儿发育的核心关键期。

其中囊胚的产生,约在第5至6天时间内,形成了生命的第一次谱系分化;第二个阶段实际上就是开始着床的阶段,这是决定胚胎能不能往下发育的核心关键过程,如果着床后胚胎发育营养跟上、发育正常,就可以顺利长成一个胎儿;第三个阶段就是原肠的形成,如果三胚层出现问题了,那么胎儿发育肯定会出现先天性发育缺陷,很多情况下会形成神经管发育不全、脑瘫、脊柱发育不全等疾病。第一个阶段当前研究比较多,对第三个阶段,由于存在较大的伦理问题,目前还无法开展相关研究。

因此,原肠前着床阶段的研究,对人胚胎发育关键事件的理解,以及对人类干细胞、组织器官再生研究和应用,同时对不孕症、早期发育疾病的预防与治疗极为关键。

绘制分子和形态发育全景图 对早期胚胎发育的认知有望突破

“实际上,我们的研究,就是把人原肠前胚胎关键发育的分子机制,以及它的形态学发育过程画出一个完整的图,反映这个过程产生了什么样的变化。也就是说,我们的研究有望打开人类胚胎最初阶段的‘黑匣子’,有望对生命的认知获得突破。”李天晴说。

研究组首次将人囊胚在三维(3D)条件下培养到第14天的原条阶段,但未出现早期神经系统的发育,符合胚胎研究的国际伦理准则。研究取得的突破,主要是揭示了上胚层细胞、下胚层细胞和滋养层细胞谱系分化和发育的动态及分子调控网络;其次,研究发现羊膜上皮细胞是上胚层细胞分离出来的第一类细胞系,不同于啮齿类动物,人羊膜上皮细胞发生于原条形成之前,但其特性和分子机制还不清楚。研究组发现,与上胚层细胞相比,羊膜上皮细胞显著地下调多能性基因,其形成与基底膜的缺失显著相关,并有独特的分子表达谱。他们还首次阐明细胞滋养层、绒毛外细胞滋养层和合胞体滋养细胞在胚胎着床后的分化以及引起分化的信号和转录因子,揭示了绒毛外细胞滋养层在早期胚胎中不同于中、后期胎盘的功能。

此外,他们还揭示了上胚层细胞即多能干细胞着床后,就很快从“原始态”向“始发态”的转变。其多能干细胞表达谱的变化,主要发生在内细胞团到着床前上胚层细胞以及原条产生的两个阶段。多能干细胞在着床到第14天期间,保持相对稳定状态,其发育和转化是由不同的多能因子协调作用所决定的。通过人和猴子胚胎的转录组分析,研究组发现猴子和人上胚层细胞在代谢上具有明显差异,而在维持干细胞多能性以及发育的关键分子和信号通路上具有保守性。

李天晴表示,通过此项研究,我们对人生命的认识也更加深刻。未来,人们可以由此提高试管婴儿的成功率,解决人类生殖发育的一系列问题;其次,可能找到一些早期的标志物,比如如何筛选优质的胚胎实现优生优育;再次,这一研究还初步搞清了干细胞发育这一再生医学领域一个非常重要的难题。

三维人囊胚培养体系 为破解生命发育相关谜题提供全新平台

正如前文所述,此前学界无法获得自然受孕后早期着床后阶段的人类胚胎,因此多用啮齿类胚胎或非人灵长类胚胎等模式生物替代研究,但这样就无法准确反映人类分子调控等规律的真实情况。同时,新近人类妊娠前胚胎发育的成果,包括《科学》杂志不久前发表的论文,仍然受到二维技术平台的限制,无法模拟体内条件。

李天晴介绍说,在获得严格的伦理允许和病人知情同意的条件下,研究组利用临床捐献的胚胎,首先通过改善培养基和培养方法,开发了一个三维(3D)人囊胚培养体系,克服二维(2D)无法模拟胚胎发育的缺陷,首次将人囊胚在3D条件下培养到第14天的原条阶段,以更接近体内的真实条件。

“建立3D胚胎的核心,在于细胞的生长需要有最接近人体生理环境的培养体系,这个体系可理解为供给细胞和胚胎的食物与胚胎生长的空间环境。此前,国内外在培养体系的研究还有诸多缺陷,导致所培育的胚胎细胞无法保持空间的立体结构,如一滩水一样,表面塌陷,因此细胞只能和培养皿进行表面接触,成为2D环境,这样细胞之间也只能一对一或仅发生少量的连接,这对进一步研究细胞之间的相互作用具有重大缺陷。”李天晴表示,实际上,细胞与细胞之间的接触,原本是三维的环境,如同我们把一颗水珠悬起来,不让它塌下去。由于2D条件缺乏空间支撑的结构,胚胎到了一定时间就无法进一步发育,因此通常2D胚胎只能到第12天左右。

目前,他们自主研发的培养体系可实现3D胚胎的培育,并能高度地模拟体内胚胎的环境,胚胎经历不同形态的发育并自发组装成2D条件下无法产生的3D结构,包括胚胎双层杯盘、羊膜、基底膜、初级和灵长类独特的次级卵黄囊、前后轴和原条。李天晴深信,他们自主研发的培养体系,将给学界提供一个新平台,用以研究生命前沿的相关课题。

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