在體外由多能干細(xì)胞生成正確分化的胚胎結(jié)構(gòu)一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。弗吉尼亞大學(xué)的研究人員近日通過經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的形態(tài)發(fā)生素（morphogen）信號中心發(fā)出的小鼠胚胎干細(xì)胞聚集指令，誘導(dǎo)生成了一個小鼠胚胎樣實(shí)體（胚狀體），這有望成為體外研究和疾病建模的強(qiáng)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(xué)家在體外復(fù)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(xì)胞生成了類器官，能夠模擬真實(shí)器官的顯微結(jié)構(gòu)。為實(shí)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(xì)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(shí)現(xiàn)部分發(fā)育。

為此，弗吉尼亞大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)教授Christine Thisse領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)試圖通過在小鼠胚胎干細(xì)胞聚集體中設(shè)計(jì)一個局部的形態(tài)發(fā)生素信號中心來實(shí)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(shè)計(jì)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(xì)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(dǎo)WNT3和NODAL的表達(dá)。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(shí)驗(yàn)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(xì)胞運(yùn)動與從小鼠胚胎中觀察到的相似。免疫標(biāo)記、細(xì)胞追蹤和轉(zhuǎn)錄組學(xué)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(luò)�？傊�，這組數(shù)據(jù)表明胚狀體中存在各種中胚層細(xì)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(xué)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(dāng)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(xué)特征。（本研究中GFP標(biāo)記的129胚胎干細(xì)胞由賽業(yè)OriCell®提供。）
 

圖2. 胚狀體的外胚層衍生物

大量細(xì)胞和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也證實(shí)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(fù)制哺乳動物胚胎發(fā)育方面取得了重大進(jìn)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(yīng)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