Natrue 连发双重磅,不用受精也有囊胚

2021-03-26 Oranhyg是正经人 MedSci原创

在人类胚胎发育过程中,受精卵发育至第3天的胚胎称为卵裂期胚胎,而发育至第5~6天的胚胎称之为囊胚。处于囊胚阶段的人类胚胎比圆珠笔的笔尖还小,可能只包含不到100个细胞。许多流产、一个囊胚分裂出双胞胎都

在人类胚胎发育过程中,受精卵发育至第3天的胚胎称为卵裂期胚胎,而发育至第5~6天的胚胎称之为囊胚。处于囊胚阶段的人类胚胎比圆珠笔的笔尖还小,可能只包含不到100个细胞。许多流产、一个囊胚分裂出双胞胎都发生在这个阶段,使得科学家对这一发育途径感到困惑。

探索人类胚胎的发育机制,尤其是最早期囊胚的形成与发育过程,是我们解析早期流产、不孕不育和出生缺陷等临床问题的关键途径。目前,对早期胚胎的研究,主要利用捐赠的试管婴儿胚胎和人类胚胎干细胞,数量少且受伦理道德和法律限制。因此,寻求替代方案,利用体外培养的成体细胞来构建哺乳动物的胚胎模型至关重要。

受精后5天高质量扩增的人类胚泡胚胎荧光显微镜图像. technologynetworks

今年3月17日,Nature发表了两项里程碑式重大突破进展,报告描述了两种在实验室条件下生成的人囊胚样结构,可模拟整体遗传学和结构,包括由表皮样细胞组成的内部细胞团样结构,周围是滋养外胚层样细胞的外层和类似于囊胚的腔,并可在实验室环境中模拟人类早期胚胎的发育和着床过程。为胚胎模型奠定基石。

一项是由美国得克萨斯大学西南医学中心和中国的五邑大学、昆明医科大学等团队的研究人员联合完成,题为Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cells。通讯作者是德克萨斯大学西南医学中心助理教授Gary C. Hon和吴军。

Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cells. doi:10.1038/s41586-021-03356-y

该研究团队将人类胚胎干细胞系和诱导性多能干细胞系置于3D培养系统,先用下胚层细胞分化培养基培养,后改为滋养层细胞分化培养基。数天后获得了囊胚样结构,且在形态结构、细胞种类数量和基因表达上都与真实的人囊胚高度相似,被命名为Blastoid。并且,从囊胚样结构中分离出的细胞(上胚层细胞、滋养层细胞和下胚层细胞)有进一步地向对应方向分化的干细胞潜能。

体外构建的人类囊胚模型. doi:10.1038/s41586-021-03356-y

此外,通过进一步体外模拟子宫植入实验,发现一部分囊胚样结构能粘附在培养皿上发育,其中某些能生成类似于真实囊胚在着床后的羊膜囊腔和卵黄囊腔的结构,以及蛋白激酶C在胚状体腔形成中的信号转导作用。

多个研究小组从人类干细胞中制造出了人类胚胎最早期发育阶段的囊胚模型。德克萨斯大学西南医学中心

另一项为澳大利亚莫那什大学表观遗传学教授Jose Polo团队发表的题为Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids的研究,利用成体细胞重编程技术获得人类胚胎最早期发育阶段的囊胚模型,用于在实验室中为早期人类胚胎的生物学建模。

Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids. DOI10.1038 / s41586-021-03372-y

研究团队将人体成纤维细胞放置在一种被称为细胞外基质的3D "果冻 "支架中,进行重新编程,形成混合细胞群,其中包含的细胞基因表达谱类似于上胚层细胞、滋养外胚层细胞和下胚层细胞。

在重编程中间体过程中,意外发现这些中间体在聚集时,可以形成空泡细胞结构。为确定这些结构的真实性质,研究团队进行一系列的分子和功能分析,结果表明,该结构在形态和分子上与人类囊胚相似。由于这些结构是由成纤维细胞重编程获得,Polo等人将它们命名为“iBlastoids”(诱导胚状体)。

体外构建的人类囊胚模型. DOI10.1038 / s41586-021-03372-y

具有不同细胞染色的iBlastoids图像。图片来源:莫纳什大学

美国密歇根大学安娜堡分校傅建平等人在Nature同期刊发的观点文章中点评:“这是第一个完整的人类胚胎模型,含有与胎儿及其支持组织的所有初始细胞谱系相关的细胞类型。”他们认为,利用体外培养的细胞构建哺乳动物胚胎模型技术为探索生命奥秘带来了令人兴奋的机遇。

不过,Polo教授表示,尽管它们是某些生物学方面的绝佳模型,但不应被视为等同于囊胚。吴军教授也指出,类胚在生成模仿后期人类胚胎的结构方面效率较低。两组研究团队均强调,他们的工作仅用于研究,而不是用于复制和人类繁殖,所制造的结构与天然胚胎不同,目前尚不清楚它们是否可以发育成有生命的胚胎。

事实上,关于胚胎细胞,此前已有相关研究,早在2017年2月,彼时还是美国索尔克生物研究所研究员的吴军及其合作团队在Cell发表研究,将人类干细胞注入猪胚胎中,首次成功培育出人猪嵌合体胚胎,并在猪体内发育了3到4周时间。

合成人猪嵌合体胚胎Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.036

2020年12月,吴军等人再次在Cell Stem Cell发表论文,首次在多个物种中培育出一种新型干细胞系,并在此基础上生成世界首例马鼠嵌合胚胎。此次,首次将囊胚用人细胞制成。

马鼠嵌合胚胎.Derivation of Intermediate Pluripotent Stem Cells Amenable to Primordial Germ Cell Specification.DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.003

囊胚是人类专有细胞类型发育的第一个阶段,在这个阶段,囊胚植入子宫内膜,并开始与母亲的细胞相互作用,建立胎盘。不孕和流产可能是由于早期人类胚胎未能植入或在植入时无法进展而引起的。这发生在受孕后的前两周,那时女性甚至都不知道自己怀孕了。这些“无声的”流产很可能占流产总数的很大一部分,而本次所制造的囊胚提供了一个模型系统,使科学家能够洞悉怀孕的早期阶段,用于胚胎植入前与产前诊断技术用于阻断遗传性疾病传递的研究,有助于开发改进的体外受精方法胚胎基因治疗方案以及更好,信息更丰富的新药筛选方法,具有广阔的临床研究与应用价值。

众所周知,研究人类早期发育颇具挑战性。现阶段大部分研究都是使用从生育诊所捐赠的囊胚来研究不孕和先天性疾病以及毒素和病毒对早期胚胎的影响的某些原因。此次研究,无需使用人类胚胎,首次使用人类细胞制造了模仿最早发育阶段的结构,将为进一步的研究铺平道路,而不会受到使用真正胚胎的限制。再者,这种大规模开展工作的能力将彻底改变对人类发展早期阶段的理解,扩大此类研究范围,加快医学发展

不过,也有些独立学者提出伦理质疑,美国俄勒冈卫生与科学大学的人类胚胎学家Shoukhrat Mitalipov指出,受精卵囊胚与实验室产生的结构之间的区别可能不是很清楚。两组都显示出它们与真实胚胎的相似程度。如果这些研究形成的囊胚结构与人类胚胎一样,应该将它们视为胚胎吗?是否应适用限制?这也带来了新的道德问题。目前真对一系列疑问,最佳的研究方案是:尽可能接近真实的胚胎,以便研究,但不能与真实人类胚胎相同,否则陷入有关胚胎道德状态的争论。

不可否认,随着实验室囊胚的产生,人类胚胎早期研究也迈向新台阶,带来光明前景的同时,随之而来的伦理意义的重要性也变得越来越重要。

德克萨斯大学西南医学中心

目前,全球大部分国家基本对于胚胎细胞基本遵循14天限制,14天期限原则是指使用人类胚胎体外研究不得在体外培养人类胚胎超过14天,是使用人类胚胎进行体外研究的重要伦理原则。而国际干细胞研究学会(ISSCR)2016年的干细胞研究指南也包括了对人类胚胎研究的14天限制,ISSCR当时将这一建议解释为 "广泛的国际共识,即这种实验[涉及超过14天的培养]缺乏令人信服的科学依据,引起了实质性的伦理问题,和/或在许多司法管辖区是非法的。

在我国,本世纪初,针对胚胎干细胞、辅助生殖、器官移植等技术的研究和应用出台相应的伦理原则和指南。原卫生部在2003年会同科技部发布《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》,同年制定《人类辅助生殖技术规范》和《人类辅助生殖技术和人类精子库伦理原则》,明确“利用体外受精、体细胞核移植、单性复制技术或遗传修饰获得的囊胚,其体外培养期限自受精或核移植开始不得超过14天”;严禁将用于研究的人囊胚植入人或者任何其他动物的生殖系统;辅助生殖技术工作人员禁止以生殖为目的对人类配子、合子和胚胎进行基因操作。

总之,人类胚胎和类胚胎研究将继续扩大,同时也会出现新的伦理问题和相关讨论。就目前这两项研究来看,或许在不久的未来,将会出现相关干细胞形成人类胚胎研究的伦理相关新观点。

作者:Oranhgy

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  1. 2021-03-26 Jessica

    棒!

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