Nature：人造胚胎生成完整大脑及心脏

导读：哺乳动物生命的秘诀很简单：取一个卵子，加入精子，然后等待。但最新研究表明，还有另一种方式。即在适当的条件下，干细胞可以自行分裂和自组织成胚胎。科学家报告称，他们培养合成小鼠胚胎的时间比以往任何时候都要长。胚胎生长了8.5天，足以让它们发育出不同的器官——跳动的心脏，肠管甚至神经褶皱。

来自剑桥大学和加州理工学院的研究人员已经从干细胞（身体的主细胞，可以发育成体内几乎任何细胞类型）中创造了模型小鼠胚胎，这些细胞具有跳动的心脏，以及大脑和小鼠体内所有其他器官的基础。

这篇论文的标题是“Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis”于8月25发表在杂志《Nature》上。这是一篇具有重大突破意义的论文，历时十多年，可以帮助研究人员了解为什么有些胚胎会失败，而另一些胚胎会继续发育成胎儿，作为健康怀孕的一部分。此外，这些结果可用于指导用于移植的合成人体器官的修复和发育。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3

研究概括

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我们在体外从小鼠ESC，TSCs和iXEN细胞中组装了干细胞衍生的胚胎，结果再现了它们在子宫内到第8.5天的小鼠胚胎的整个天然发育。我们的胚胎模型显示了清晰的前脑和中脑区域的头褶，并形成跳动的心脏样结构，由神经管和somites组成的躯干，包含神经中胚层祖细胞的尾芽，肠管和原始生殖细胞。这个完整的胚胎模型在胚胎外的卵黄囊中发育，卵黄囊启动血岛发育。重要的是，我们证明了由Pax6敲除ESCs与野生型TSCs和iXEN聚集组装而成的神经突起胚胎模型再现了自然的、无处不在的Pax6敲除胚胎中发生的神经管腹侧结构域扩张。因此，这些完整的胚状体是一个强大的体外模型，用于剖析不同谱系和基因在发育中的作用。我们的研究结果表明，胚胎和两种类型的胚胎外干细胞具有自组织能力，可以通过原肠胚形成、神经形成和早期器官形成来重建哺乳动物的发育。

小鼠模型

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胚胎模型是在没有卵子或精子的情况下开发的。与此相反，研究人员通过在实验室中模拟自然过程，引导在早期哺乳动物发育中发现的三种类型的干细胞，使它们开始相互作用。通过诱导一组特定基因的表达，并为它们的相互作用建立一个独特的环境，研究人员能够让干细胞之间相互进行“交谈”。

干细胞自组织成一些结构，经过连续的发育阶段，直到合成胚胎具有跳动的心脏和大脑的基础，以及胚胎发育的卵黄囊，并在头几周内接受营养。这是迄今为止在干细胞衍生模型中实现的最先进的发展阶段。

“我们的小鼠胚胎模型不仅发展出大脑，还发展出跳动的心脏，这些都是构成身体的所有组成部分，”她解释说。“令人难以置信的是，我们已经走到了这一步。多年来，这一直是我们社区的梦想，也是我们十年来工作的主要重点，最终我们做到了。”

研究发展

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为了使人类胚胎成功发育，需要在将成为胚胎的组织与将胚胎连接到母亲的组织之间进行“对话”。在受精后的第一周，三种类型的干细胞发育：一种最终将成为身体的组织，另外两种将支持胚胎的发育。后两种类型之一，称为胚胎外干细胞，将成为胎盘，将胎儿连接到母亲并提供氧气和营养。另一个将成为卵黄囊，胚胎生长并在早期发育中从中获得营养。许多怀孕在三种类型的干细胞开始相互发送机械和化学信号时失败，这些信号告诉胚胎如何正常发育。

为了指导他们的合成胚胎的发育，研究人员将代表三种组织中的每一种组织的培养干细胞放在一起，并允许它们以有利于它们相互生长和交流的比例和环境发育，导致它们最终自我组装成胚胎。研究人员发现，胚胎外细胞通过化学信号向胚胎细胞发出信号，但也通过机械或触摸来引导胚胎的发育。

“人类生命的这个时期是如此神秘，所以能够看到它是如何在培养皿中发生的，能够接触到这些单独的干细胞，了解为什么这么多怀孕失败以及我们如何能够防止这种情况发生，是非常特别的，”Zernicka-Goetz说。“我们研究了当时不同类型的干细胞之间必须发生的对话，我们已经展示了它是如何发生的以及它是如何出错的。”

研究意义

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虽然目前的研究是在小鼠模型中进行的，但研究人员正在开发一种类似的人类胚胎发育模型，以了解关键过程背后的机制，否则这些机制将无法在真实胚胎中进行研究。如果这些方法在未来被证明对人类干细胞是成功的，它们也可以用来指导等待移植的患者的合成器官的发育。“世界上有这么多人等待器官移植多年，”Zernicka-Goetz说。“我们的工作如此令人激动，从中得出的知识可以用来生长正确的合成人体器官，以挽救目前失去的生命。还有可能通过使用我们掌握的关于如何制造成人器官的知识来影响和治愈成人器官。”

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02334-2

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3

https://phys.org/news/2022-08-synthetic-mouse-embryo-brain-heart.html