摘要：奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所創(chuàng)建用于模擬早期人類胚胎的人胚狀體

人類的早期發(fā)展為胚胎和成年生命奠定了基礎(chǔ)，但此領(lǐng)域仍然難以研究。一個(gè)解決方案來(lái)自于干細(xì)胞組織成類似于植入前胚胎的結(jié)構(gòu)的能力——稱之為胚細(xì)胞。2021年奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所的Nicolas Rivron研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature的一篇文章報(bào)道了一個(gè)用于模擬早期人類胚胎的人胚狀體，該研究團(tuán)隊(duì)利用人多能干細(xì)胞構(gòu)建了人胚泡樣結(jié)構(gòu)（胚狀體）。作者鑒定出Hippo、TGF-β和ERK三個(gè)信號(hào)通路，抑制它們就能得到有效模擬正常胚泡發(fā)育（成功率>70%）和能形成正確細(xì)胞（成功率>97%）的胚狀體。

圖 2021年研究團(tuán)隊(duì)利用人多能干細(xì)胞構(gòu)建了人胚泡樣結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步描述了如何形成人類母細(xì)胞，這些母細(xì)胞可以（1）有效地實(shí)現(xiàn)囊胚的形態(tài)和(2)根據(jù)囊胚發(fā)育的速度和順序形成譜系，(3) 最終形成轉(zhuǎn)錄反映囊胚的細(xì)胞（植入前階段）。總之，母細(xì)胞提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以為早孕建立科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)計(jì)劃，并提供一種替代胚胎使用的倫理選擇。

相關(guān)研究成果以“Generating human blastoids modeling blastocyst-stage embryos and implantation”為題于2023年2月15日發(fā)表在Nature Protocols上。

圖 2023年研究團(tuán)隊(duì)描述了如何形成人類母細(xì)胞

在4 dpf時(shí)，孕體形成桑葚胚，啟動(dòng)空化形成囊胚。囊胚發(fā)育（5-7 dpf）支持三個(gè)創(chuàng)始譜系的產(chǎn)生：外胚層（EPI），它是胚胎的；滋養(yǎng)外胚層(TE)，是胚外的；和原始內(nèi)胚層 (PrE)，它是胚外的（圖1a）。外周細(xì)胞通過(guò)抑制 Hippo 通路變成TE。在PXGL2中培養(yǎng)的原始人多能干細(xì)胞(PSC)在抑制TGFβ和ERK通路后有效地形成TE類似物。該團(tuán)隊(duì)在非粘附水凝膠微孔中聚集初始PSC并抑制這三種途徑（圖1b）。在含有STAT激活劑白血病抑制因子(LIF)和Y-27632（一種 ROCK 抑制劑），囊胚樣結(jié)構(gòu)有效形成（圖1c-e）。

圖1 三重抑制的幼稚 PSC 有效地形成了人類胚泡樣結(jié)構(gòu)，其中包含三個(gè)創(chuàng)始譜系的類似物

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，胚泡樣結(jié)構(gòu)僅形成三種不同的轉(zhuǎn)錄組狀態(tài)（圖2a、b），由三個(gè)創(chuàng)始譜系特有的基因標(biāo)記，包括GATA2和GATA3 (TE)、POU5F1和KLF17 (EPI)，以及GATA4 和SOX17 (PrE)（圖2c、d）。與來(lái)自胚泡、體外培養(yǎng)的胚泡和原腸胚形成期胚胎的細(xì)胞比較表明，胚泡樣結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄上與胚泡期相似并且不同于著床后階段（圖2e、f）。

圖2 人類胚泡樣結(jié)構(gòu)形成三種植入前譜系的類似物

關(guān)于人類囊胚譜系分離的知識(shí)是有限的（圖3a）。然而，已知在獲得頂端結(jié)構(gòu)域后外周細(xì)胞中會(huì)發(fā)生Hippo通路的抑制，并且需要啟動(dòng)TE規(guī)范。因而作者測(cè)試了囊胚樣結(jié)構(gòu)是否采用了這種機(jī)制。值得注意的是，aPKC和F-肌動(dòng)蛋白表達(dá)域在外部細(xì)胞中似乎是共同排列的，這些細(xì)胞也在細(xì)胞核中積累了Hippo下游效應(yīng)子YAP1。YAP1核位置與GATA2和GATA3表達(dá)相關(guān)，與NANOG表達(dá)形成對(duì)比，并且僅限于TE類似物（圖3b）。aPKC抑制劑可以抑制Hippo通路的LPA受體配體（LPA和NAEPA）增強(qiáng)了囊胚樣結(jié)構(gòu)的形成（圖3c）。由于Hippo通路抑制釋放YAP1進(jìn)入細(xì)胞核，作者測(cè)試了YAP1的基因工程水平和功能是否會(huì)影響形態(tài)發(fā)生。YAP1 (5SA)的野生型或組成型活性形式的過(guò)表達(dá)加速了空化（圖3d）。

圖3 根據(jù)囊胚發(fā)育的順序和時(shí)間形成三個(gè)譜系

在7 dpf時(shí)，人類囊胚通過(guò)其TE附著到接受性子宮內(nèi)膜開(kāi)始在子宮內(nèi)著床（圖4a）。作者測(cè)試了母細(xì)胞是否可以通過(guò)在2D中接種子宮內(nèi)膜類器官來(lái)模擬這種相互作用，以形成一個(gè)開(kāi)放的子宮內(nèi)膜層(OFEL)以促進(jìn)母細(xì)胞的沉積（圖 4a）。沉積在未受刺激的OFEL上的母細(xì)胞沒(méi)有附著；然而，它們確實(shí)附著并排斥受刺激的OFEL的子宮內(nèi)膜細(xì)胞，就像在子宮內(nèi)發(fā)生的那樣（圖4b）。由此得出結(jié)論人類母細(xì)胞能夠與已經(jīng)接受的子宮內(nèi)膜細(xì)胞特異性相互作用。

圖4 人類母細(xì)胞概括了植入的各個(gè)方面

綜上，人類母細(xì)胞在形態(tài)上類似于人類囊胚，有效地生成其三個(gè)譜系的類似物，其轉(zhuǎn)錄組與人類囊胚階段相匹配，并根據(jù)序列（TE和EPI，然后是pTE和PrE）和近似速度形成這些類似物（4天）胚泡發(fā)育。

因此，作者建議該模型與人類囊胚發(fā)育和植入的研究相關(guān)。模擬外胚層和滋養(yǎng)外胚層之間的相互作用表明，外胚層誘導(dǎo)極地滋養(yǎng)外胚層的局部成熟并隨后賦予它附著在受刺激的子宮內(nèi)膜細(xì)胞上的能力。將來(lái)，人類胚細(xì)胞可用于幫助確定治療靶點(diǎn)并有助于臨床前建模（例如，體外受精培養(yǎng)基補(bǔ)充劑，如LPA和NAEPA或避孕藥，如SC144）。考慮到人類胚胎學(xué)的相稱性（平衡利弊）和輔助性（使用道德上問(wèn)題最少的手段追求目標(biāo)），胚細(xì)胞代表了一個(gè)倫理機(jī)會(huì)來(lái)補(bǔ)充使用胚胎的研究。

[1]Heidar Heidari Khoei, Alok Javali, Harunobu Kagawa, Theresa Maria Sommer, Giovanni Sestini, Laurent David, Jana Slovakova, Maria Novatchkova, Yvonne Scholte op Reimer & Nicolas Rivron, Generating human blastoids modeling blastocyst-stage embryos and implantation,Nature Protocols (2023)
[2]Harunobu Kagawa, Alok Javali, Heidar Heidari Khoei, Theresa Maria Sommer, Giovanni Sestini, Maria Novatchkova, Yvonne Scholte op Reimer, Gaël Castel, Alexandre Bruneau, Nina Maenhoudt, Jenna Lammers, Sophie Loubersac, Thomas Freour, Hugo Vankelecom, Laurent David & Nicolas Rivron, Human blastoids model blastocyst development and implantation, Nature volume 601, pages600–605 (2022)