見微知著!科學家用幹細胞造出類胚胎模型 觀察人體發育的「藍圖」

2020-12-07 前瞻網

一項研究報告稱，研究人員利用幹細胞創建的類胚胎模型可以提供人體形成的「藍圖」。

劍橋大學研究人員的這項研究將使專家們能夠研究所謂的人類發展的「黑盒子」時期——原腸胚形成。

由於對胚胎研究的倫理和法律限制，科學家無法在實驗室裡直接觀察到人類發展的這段時間。

該模型可能有助於揭示出生缺陷或始於原腸胚形成期的疾病的原因，這些疾病通常與酒精、藥物、化學物質和感染有關。

更好地了解人類的原腸胚形成期也有助於闡明其他疾病，包括不孕、遺傳疾病和流產。

該論文的作者、劍橋大學的遺傳學家阿方索•馬丁內斯-阿里亞斯(Alfonso Martinez-Arias)說:「我們的模型生成了人類藍圖的一部分。」

「能見證到目前為止從視野和研究中被隱藏起來的發育過程是令人興奮的。」

這種被稱為原腸胚形成期的「黑盒子期」以前不可能在人體上進行研究，因為法律限制不允許在實驗室中培養超過14天的胚胎——這是胚胎培養過程開始的時間點。

這一法定界限被選為胚胎不能再形成雙胞胎的門檻，但這也阻止了專家們觀察人體正在繪製的「藍圖」。

在原腸胚形成期，會形成三層細胞——外胚層、中胚層和內胚層——廣義地說，這三層細胞繼續形成人體的神經系統、肌肉和腸道。

在他們的研究中，馬丁內斯-阿里亞斯教授和同事們將胚胎幹細胞放入「小井」中，製造出所謂的「類原腸胚」(gastruloids)，它類似於發育早期的人類胚胎，在懷孕後18-21天左右。

類原腸胚(Gastruloids)是由300個左右胚胎幹細胞組成的三維聚集體，能夠表現出胚胎植入後哺乳動物包括胚層特異性以及軸向組織發育過程的關鍵性特徵。

就在今年2月，荷蘭皇家藝術與科學學院和烏得勒支大學醫學中心Alexander van Oudenaarden與Susanne C. van den Brink研究組在Nature發表題為Single-cell and spatial transcriptomics reveal somitogenesis in gastruloids的文章，對小鼠類原腸胚以及小鼠胚胎之間的單細胞RNA測序結果以及空間轉錄組數據進行比較，發現兩者之間極為相似，並且類原腸胚能夠極好地模擬胚胎的體節發育。

而在本次試驗中，研究人員用化學信號處理這些模型，觀察到類原腸胚沿著頭尾軸延長，開啟特定模式的基因，顯示出形成不同人體部位過程的「清晰標誌」。

在真正的胚胎中，這一過程最終會形成胸肌、骨骼和軟骨等身體結構。

「這是一個非常令人興奮的新模型系統，它將允許我們首次在實驗室揭示和探索早期人類胚胎發育的過程，」論文作者、同樣來自劍橋大學的遺傳學家Naomi Moris說。

「我們的系統是建立人體計劃模型的第一步，也可以用於研究出現問題時的情況，比如出生缺陷。」

研究人員希望，這個模型可以幫助解釋人類先天缺陷的原因，並在孕婦身上進行測試。

在英格蘭和威爾斯，每45個新生兒中就有一個患有先天缺陷，最常見的是心臟缺陷、唐氏綜合症和脊柱分裂。

到目前為止，科學家們依靠像老鼠和斑馬魚這樣的生物模型來研究原代細胞的生成過程——然而，當細胞開始分化時，這些模型與人類胚胎究竟有多相似還不確定。

此外，已知動物模型對某些藥物的反應不同——例如，抗晨吐藥物沙利度胺(thalidomide)在老鼠身上測試後通過了臨床試驗，但卻導致了人類嚴重的出生缺陷。

研究人員解釋說，基於這個原因，開發更好的人類發展模型是很重要的。

倫敦大學學院生殖科學專家喬伊斯·哈珀(Joyce Harper)沒有參與這項研究，她說，原腸胚形成被認為是「我們生命中最重要的階段」。

「但到目前為止，我們還不能在人類身上進行研究，」她補充道。

「這項令人興奮的工作將使許多關鍵的研究得以完成，這樣我們就可以了解早期人類發展以及什麼時候出現了問題。」

「這將幫助我們更多地了解基因疾病和不育症。」

然而，並非所有國家都可以使用類原腸胚進行研究。

在許多國家——包括英國和日本——允許使用類胚胎模型，因為它們不具備長成個體的潛力。

這是因為類原腸胚沒有腦細胞，也沒有將自己成功植入子宮所需的組織。

然而，在美國，聯邦法律禁止創建或銷毀此類模型，就像它限制涉及真正的人類胚胎的研究一樣。

這項研究的全部結果發表在《自然》雜誌上。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-8406831/Embryo-like-model-created-stem-cells-provides-blueprint-human-body.html

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