在體外由多能干細胞生成正確分化的胚胎結(jié)構(gòu)一直是一項挑戰(zhàn)。弗吉尼亞大學的研究人員近日通過經(jīng)實驗設計的形態(tài)發(fā)生素（morphogen）信號中心發(fā)出的小鼠胚胎干細胞聚集指令，誘導生成了一個小鼠胚胎樣實體（胚狀體），這有望成為體外研究和疾病建模的強大工具。

這篇題為“Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre”的文章于6月2日發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
 

近年來，科學家在體外復制哺乳動物胚胎發(fā)育方面做了大量的工作。他們利用干細胞生成了類器官，能夠模擬真實器官的顯微結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)更高程度的組織化，器官需要具有血管并受神經(jīng)支配，并且包含來自三個胚層的各種細胞和組織類型。以往的研究取得了很大突破，但在體外只能實現(xiàn)部分發(fā)育。

為此，弗吉尼亞大學細胞生物學教授Christine Thisse領導的研究團隊試圖通過在小鼠胚胎干細胞聚集體中設計一個局部的形態(tài)發(fā)生素信號中心來實現(xiàn)廣泛的胚胎發(fā)育。在小鼠胚胎中，原腸胚的初始結(jié)構(gòu)是由三種信號分子相互作用產(chǎn)生的：形態(tài)發(fā)生素BMP4、NODAL和WNT。

于是，研究人員在小鼠ESC聚集體中設計了分泌WNT3和NODAL的信號中心（圖1）。他們生成了兩個不同大小的聚集體（50和100個細胞）。在培養(yǎng)3天后，將小的聚集體與小鼠BMP4蛋白放在一起孵育8小時，誘導WNT3和NODAL的表達。然后，將這些經(jīng)過處理的小聚集體放在培養(yǎng)板中，與未經(jīng)過處理的大聚集體接觸。1小時后，它們自發(fā)融合形成更大的結(jié)構(gòu)，稱為胚狀體（embryoid）。
 

圖1. 產(chǎn)生胚狀體的實驗策略

通過原位雜交等分析，他們發(fā)現(xiàn)胚狀體顯示出原腸胚形成的明確證據(jù)，其中涉及到的中胚層細胞運動與從小鼠胚胎中觀察到的相似。免疫標記、細胞追蹤和轉(zhuǎn)錄組學分析表明，這些胚狀體通過原腸胚形成過程形成三個胚層，且它們表現(xiàn)出廣泛的發(fā)育結(jié)構(gòu)，與神經(jīng)胚期小鼠胚胎高度相似。

之后，研究人員又觀察到三個胚層衍生物的形成。在腹側(cè)，胚狀體分化出一個原始的腸管，它在前后端和背腹側(cè)都有序形成。在脊索中胚層的外側(cè)，胚狀體顯示出體節(jié)和中間中胚層，前端形成跳動的心臟組織，并形成脈管系統(tǒng)網(wǎng)絡。總之，這組數(shù)據(jù)表明胚狀體中存在各種中胚層細胞群。

最后，他們還鑒定了分化為神經(jīng)板狀結(jié)構(gòu)的外胚層。胚狀體的背側(cè)神經(jīng)板顯示出類似于小鼠胚胎神經(jīng)上皮的組織學性質(zhì)，并折疊和閉合形成神經(jīng)管，從后中腦到尾部尖端前后排列（圖2）。這些結(jié)果表明，在相當于小鼠胚胎的神經(jīng)胚期，胚狀體呈現(xiàn)出神經(jīng)板/管狀結(jié)構(gòu)，具有前后軸（AP）和背腹軸（DV），顯示出典型的哺乳動物神經(jīng)板/神經(jīng)管的組織學特征。（本研究中GFP標記的129胚胎干細胞由賽業(yè)OriCell®提供。）
 

圖2. 胚狀體的外胚層衍生物

大量細胞和單細胞轉(zhuǎn)錄組學分析也證實了他們觀察到的結(jié)果，即胚狀體沿著前后軸和背腹軸經(jīng)歷了三個胚層的圖式形成。此外，scRNA-seq分析結(jié)果表明，胚狀體以類似小鼠胚胎的時空方式執(zhí)行發(fā)育程序。

總而言之，這種新型的胚狀體模型顯示人們在體外復制哺乳動物胚胎發(fā)育方面取得了重大進展。它能夠發(fā)育成沿著前后軸正確排列的三個胚層，允許不同區(qū)域從周圍組織中接收信號或發(fā)送信號。這種模型有望應用于疾病建模和藥物篩選。

原文檢索：
Xu, PF., Borges, R.M., Fillatre, J. et al.Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre.Nat Commun 12,3277 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23653-4