Cell：重要进展！中国科学院王红梅/李伟/郭帆建立了一个可长时间体外培养食蟹猴胚胎3D培养系统

神经管(NT)缺陷是由神经发育异常引起的，是世界上最常见的出生缺陷。然而，由于禁止人类胚胎研究和现有模型系统的限制，灵长类动物神经发育的机制仍然很大程度上未知。

2023年5月11日，中国科学院动物研究所王红梅、李伟、郭帆和宾夕法尼亚大学Nicolas Plachta团队合作在Cell 在线发表了题为“Neurulation of the cynomolgus monkey embryo achieved from 3D blastocyst culture”的研究论文，该研究建立了一个三维(3D)长时间体外培养(pIVC)系统，支持食蟹猴胚胎在受精后7~25天的发育。

通过单细胞多组学分析，该研究发现pIVC胚胎形成了三个胚层，包括原始生殖细胞，并在原肠胚形成阶段建立了适当的DNA甲基化和染色质可及性。此外，pIVC胚胎免疫荧光证实神经嵴形成、NT闭合和神经祖细胞区域化。最后，该研究证明了pIVC胚胎的转录谱和形态遗传学类似于体内发育阶段相似的食蟹动物和人类胚胎的关键特征。因此，该项工作描述了一个通过先进的原肠胚形成和早期神经发育来研究非人灵长类动物胚胎发生的系统。

神经形成是人类胚胎发生的一个基本事件，发生在受精后17-19天（d.p.f），最终形成神经管和中枢神经系统的未来结构。在早期原肠胚形成之后，来自后外胚层(EPI)的细胞通过原条(PS)迁移，并产生新生中胚层、节胚层和终胚层(DE)。前外胚层(ECT)形成位于中央的神经板(NP，也称为神经外胚层[NE])和外周表面外胚层(SE)。随后是NP的弯曲，其增厚和折叠形成NT，然后沿着背腹(D-V)轴分化成不同类别的祖细胞。NP边界内的细胞腹侧分层形成神经嵴(NC)，产生感觉神经元、色素细胞和间质。此外，原肠形成的后期涉及复杂的转录调控，导致细胞分化和形态发生。

神经发育异常导致NT缺陷，这是最常见的先天性异常。然而，由于组织的稀缺性以及法律和技术的限制（由于科研伦理限制，人类胚胎研究遵循“14天原则”，即人类胚胎体外研究必须在第14天终止。因此体外培养的人类胚胎不能被用于研究胚胎期14天之后发生的原肠运动和早期神经胚发育等事件），灵长类动物神经发育的机制主要是从啮齿动物的研究、细胞培养或历史固定的人类胚胎收集中推断出来的。近年来，基于人类干细胞的神经样体已经建立起来，是模拟神经特异性形态发生和发病机制的重要实验系统。然而，这些干细胞模型缺乏胚胎内神经发育所需的完整信号通路。此外，类神经细胞的发育能力有限，无法产生包含神经祖细胞和神经衍生物的完整封闭的NT结构。因此，需要更接近模拟生理发育的模型。

三维长时间体外培养(pIVC)系统示意图（图源自Cell ）

已经建立了小鼠、人类和非人类灵长类动物的胚胎培养系统，通过原肠胚形成支持发育。尽管从技术上讲，14 d.p.f.以外的灵长类胚胎培养更具挑战性，但已有研究表明，二维(2D)培养系统可以支持食蟹动物通过20 d.p.f或早期原肠胚发育。因此，通过改进培养技术来支持胚胎发生的后期阶段，通过早期原肠胚形成和早期神经发育，是揭示这一早期发育时期的机制的重要进展。

该研究建立了一个三维(3D)体外培养(pIVC)系统，可以在受精后的25天内延长食蟹猴胚胎的体外培养时间。将pIVC胚胎与相似分期、新鲜分离的食蟹和人类胚胎进行比较，显示出相似的转录和形态模式。此外，该研究进行了全面的单细胞多组学测序，确定了三个胚层在原肠胚晚期和早期神经发育阶段的甲基化和染色质可及性特征。总之，该研究对pIVC食蟹胚胎的结构和分子特征证实了它们概括了体内形态发生和谱系规范模式，包括NT、NC、PS、原始生殖细胞(PGCs)、中胚层细胞和DE的细胞特征的形成。

原文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00415-4#%20