建立三維培養(yǎng)系統(tǒng)、繪制分子和形態(tài)發(fā)育全景圖
人類胚胎早期發(fā)育的黑匣子 正在緩緩打開(kāi)？

人的生命起源于早期胚胎，但人類胚胎著床后發(fā)育是怎樣進(jìn)行的？胎兒形成即原腸前人胚胎和多能干細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程有沒(méi)有圖跡可循？科學(xué)家們一直在為這些生命難題找尋答案。

國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》日前以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了昆明理工大學(xué)靈長(zhǎng)類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)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(yī)院合作完成的一項(xiàng)研究成果，他們首次建立人胚胎三維培養(yǎng)系統(tǒng)，首次系統(tǒng)揭示了原腸前人胚胎和多能干細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程。他們所繪制的分子和形態(tài)發(fā)育全景圖，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白，為研究胚胎著床后早期發(fā)育建立了重要的研究基礎(chǔ)。

從受精卵著床到第14天原腸胚形成前 人類胚胎發(fā)育仍是神秘“黑匣子”

人類受精卵的發(fā)育，始于一系列卵裂和形態(tài)發(fā)生重排，形成囊胚。晚期囊胚包含三個(gè)不同的細(xì)胞譜系，即上胚層細(xì)胞及內(nèi)胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)外胚層兩個(gè)胚外組織。在進(jìn)入子宮后，上胚層細(xì)胞產(chǎn)生三胚層細(xì)胞以及整個(gè)胎兒，而后兩者分別產(chǎn)生卵黃囊和胎盤(pán)。對(duì)囊胚前胚胎的發(fā)育，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)展廣泛的研究，取得了一定進(jìn)展。

然而，在發(fā)育的第7天，人胚胎需植入母親的子宮中才能繼續(xù)存活和發(fā)育。這個(gè)階段胚胎在宮體發(fā)育時(shí)三維時(shí)空上受到復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控，受限于倫理和研究技術(shù)的限制，研究材料無(wú)法獲得，同時(shí)又缺乏相應(yīng)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(fā)育長(zhǎng)期以來(lái)是一個(gè)神秘的“黑匣子”。

“原腸開(kāi)始形成以后，神經(jīng)系統(tǒng)開(kāi)始形成，逐漸形成胎兒，就不是胚胎了。早期胚胎在子宮內(nèi)究竟發(fā)生了什么樣的變化？什么樣的分子機(jī)制可以調(diào)控和維持它的正常發(fā)育？哪些因素又可以影響它的正常發(fā)育？這些都是需要解決的問(wèn)題。”李天晴告訴科技日?qǐng)?bào)記者，其實(shí)人懷孕的前2至3周，是保證胎兒發(fā)育的核心關(guān)鍵期。

其中囊胚的產(chǎn)生，約在第5至6天時(shí)間內(nèi)，形成了生命的第一次譜系分化；第二個(gè)階段實(shí)際上就是開(kāi)始著床的階段，這是決定胚胎能不能往下發(fā)育的核心關(guān)鍵過(guò)程，如果著床后胚胎發(fā)育營(yíng)養(yǎng)跟上、發(fā)育正常，就可以順利長(zhǎng)成一個(gè)胎兒；第三個(gè)階段就是原腸的形成，如果三胚層出現(xiàn)問(wèn)題了，那么胎兒發(fā)育肯定會(huì)出現(xiàn)先天性發(fā)育缺陷，很多情況下會(huì)形成神經(jīng)管發(fā)育不全、腦癱、脊柱發(fā)育不全等疾病。第一個(gè)階段當(dāng)前研究比較多，對(duì)第三個(gè)階段，由于存在較大的倫理問(wèn)題，目前還無(wú)法開(kāi)展相關(guān)研究。

因此，原腸前著床階段的研究，對(duì)人胚胎發(fā)育關(guān)鍵事件的理解，以及對(duì)人類干細(xì)胞、組織器官再生研究和應(yīng)用，同時(shí)對(duì)不孕癥、早期發(fā)育疾病的預(yù)防與治療極為關(guān)鍵。

繪制分子和形態(tài)發(fā)育全景圖 對(duì)早期胚胎發(fā)育的認(rèn)知有望突破

“實(shí)際上，我們的研究，就是把人原腸前胚胎關(guān)鍵發(fā)育的分子機(jī)制，以及它的形態(tài)學(xué)發(fā)育過(guò)程畫(huà)出一個(gè)完整的圖，反映這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了什么樣的變化。也就是說(shuō)，我們的研究有望打開(kāi)人類胚胎最初階段的‘黑匣子’，有望對(duì)生命的認(rèn)知獲得突破。”李天晴說(shuō)。

研究組首次將人囊胚在三維（3D）條件下培養(yǎng)到第14天的原條階段，但未出現(xiàn)早期神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，符合胚胎研究的國(guó)際倫理準(zhǔn)則。研究取得的突破，主要是揭示了上胚層細(xì)胞、下胚層細(xì)胞和滋養(yǎng)層細(xì)胞譜系分化和發(fā)育的動(dòng)態(tài)及分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；其次，研究發(fā)現(xiàn)羊膜上皮細(xì)胞是上胚層細(xì)胞分離出來(lái)的第一類細(xì)胞系，不同于嚙齒類動(dòng)物，人羊膜上皮細(xì)胞發(fā)生于原條形成之前，但其特性和分子機(jī)制還不清楚。研究組發(fā)現(xiàn)，與上胚層細(xì)胞相比，羊膜上皮細(xì)胞顯著地下調(diào)多能性基因，其形成與基底膜的缺失顯著相關(guān)，并有獨(dú)特的分子表達(dá)譜。他們還首次闡明細(xì)胞滋養(yǎng)層、絨毛外細(xì)胞滋養(yǎng)層和合胞體滋養(yǎng)細(xì)胞在胚胎著床后的分化以及引起分化的信號(hào)和轉(zhuǎn)錄因子，揭示了絨毛外細(xì)胞滋養(yǎng)層在早期胚胎中不同于中、后期胎盤(pán)的功能。

此外，他們還揭示了上胚層細(xì)胞即多能干細(xì)胞著床后，就很快從“原始態(tài)”向“始發(fā)態(tài)”的轉(zhuǎn)變。其多能干細(xì)胞表達(dá)譜的變化，主要發(fā)生在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)到著床前上胚層細(xì)胞以及原條產(chǎn)生的兩個(gè)階段。多能干細(xì)胞在著床到第14天期間，保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，其發(fā)育和轉(zhuǎn)化是由不同的多能因子協(xié)調(diào)作用所決定的。通過(guò)人和猴子胚胎的轉(zhuǎn)錄組分析，研究組發(fā)現(xiàn)猴子和人上胚層細(xì)胞在代謝上具有明顯差異，而在維持干細(xì)胞多能性以及發(fā)育的關(guān)鍵分子和信號(hào)通路上具有保守性。

李天晴表示，通過(guò)此項(xiàng)研究，我們對(duì)人生命的認(rèn)識(shí)也更加深刻。未來(lái)，人們可以由此提高試管嬰兒的成功率，解決人類生殖發(fā)育的一系列問(wèn)題；其次，可能找到一些早期的標(biāo)志物，比如如何篩選優(yōu)質(zhì)的胚胎實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育；再次，這一研究還初步搞清了干細(xì)胞發(fā)育這一再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的難題。

三維人囊胚培養(yǎng)體系 為破解生命發(fā)育相關(guān)謎題提供全新平臺(tái)

正如前文所述，此前學(xué)界無(wú)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(zhǎng)類胚胎等模式生物替代研究，但這樣就無(wú)法準(zhǔn)確反映人類分子調(diào)控等規(guī)律的真實(shí)情況。同時(shí)，新近人類妊娠前胚胎發(fā)育的成果，包括《科學(xué)》雜志不久前發(fā)表的論文，仍然受到二維技術(shù)平臺(tái)的限制，無(wú)法模擬體內(nèi)條件。

李天晴介紹說(shuō)，在獲得嚴(yán)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(xiàn)的胚胎，首先通過(guò)改善培養(yǎng)基和培養(yǎng)方法，開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維（3D）人囊胚培養(yǎng)體系，克服二維（2D）無(wú)法模擬胚胎發(fā)育的缺陷，首次將人囊胚在3D條件下培養(yǎng)到第14天的原條階段，以更接近體內(nèi)的真實(shí)條件。

“建立3D胚胎的核心，在于細(xì)胞的生長(zhǎng)需要有最接近人體生理環(huán)境的培養(yǎng)體系，這個(gè)體系可理解為供給細(xì)胞和胚胎的食物與胚胎生長(zhǎng)的空間環(huán)境。此前，國(guó)內(nèi)外在培養(yǎng)體系的研究還有諸多缺陷，導(dǎo)致所培育的胚胎細(xì)胞無(wú)法保持空間的立體結(jié)構(gòu)，如一灘水一樣，表面塌陷，因此細(xì)胞只能和培養(yǎng)皿進(jìn)行表面接觸，成為2D環(huán)境，這樣細(xì)胞之間也只能一對(duì)一或僅發(fā)生少量的連接，這對(duì)進(jìn)一步研究細(xì)胞之間的相互作用具有重大缺陷。”李天晴表示，實(shí)際上，細(xì)胞與細(xì)胞之間的接觸，原本是三維的環(huán)境，如同我們把一顆水珠懸起來(lái)，不讓它塌下去。由于2D條件缺乏空間支撐的結(jié)構(gòu)，胚胎到了一定時(shí)間就無(wú)法進(jìn)一步發(fā)育，因此通常2D胚胎只能到第12天左右。

目前，他們自主研發(fā)的培養(yǎng)體系可實(shí)現(xiàn)3D胚胎的培育，并能高度地模擬體內(nèi)胚胎的環(huán)境，胚胎經(jīng)歷不同形態(tài)的發(fā)育并自發(fā)組裝成2D條件下無(wú)法產(chǎn)生的3D結(jié)構(gòu)，包括胚胎雙層杯盤(pán)、羊膜、基底膜、初級(jí)和靈長(zhǎng)類獨(dú)特的次級(jí)卵黃囊、前后軸和原條。李天晴深信，他們自主研發(fā)的培養(yǎng)體系，將給學(xué)界提供一個(gè)新平臺(tái)，用以研究生命前沿的相關(guān)課題。

本報(bào)記者 趙漢斌