人类胚胎模型模拟早期发育和血细胞形成

  • 2024 - 03 - 07
论文标题图

在受精卵受精大约一周后,它开始植入子宫内膜,这是子宫的内壁组织。植入后,人类胚胎进入一个复杂且鲜为人知的发育阶段,这一阶段常被形象地称为“黑盒子”。然而,正是在这个神秘阶段,细胞经历了组织和遗传的深刻变化,这些变化对于确立器官界限以及形成早期造血细胞至关重要。

通过模拟人类这一特定的发育阶段,我们有望创造出能够应用于再生医学领域的细胞,或者用作药物测试和疾病模拟的平台。虽然以往基于干细胞的模型已经为我们揭示了胚胎发生的初期阶段,但这些模型仍然面临着一些局限,如胚胎样特征的产生效率不高、所得模型的稳定性不足,以及难以模拟子宫外环境下早期造血(即血液形成)的过程。

在胚胎发育的初始阶段,胚胎干细胞会分化为三个主要的谱系:一是负责形成卵黄囊的胚胎外内胚层和中胚层组织,二是构成正在发育中的胎儿的外胚层组织。在这一过程中,内胚层的形成是由一部分细胞内特定转录因子蛋白GATA6的产生所驱动的。这一组织对于胚胎身体轴的生长和模式化具有关键的引导作用。

作者的初衷在于通过在干细胞亚群中重现GATA6的活性,模拟胚胎与胚胎外组织间的相互作用。作者期望通过培养诱导多能干细胞(iPS细胞,它们类似于发育中的外胚层),并在需要时生成GATA6(即iGATA6细胞),进而促使内胚层的形成。通过这种方式,作者旨在推动早期人类胚胎中某些3D组织的形成与分化过程。

iGATA6细胞图

借助基因“开关”技术,可以诱导iGATA6细胞按需求进行分化,借助2D细胞培养技术,便能生产出3D六体胚状体,极大地便利了细胞的存储与运输,为作者所构建的模型共享提供了有力支持。六体胚胎的创造,使得那些过去难以进行的人类胚胎植入后和造血发育计划研究变得触手可及。

此外,它们还为药物测试、发育毒理学研究(即探究接触某些化合物对发育的影响)以及疾病建模提供了宝贵的途径。更值得一提的是,六体胚状体在个性化再生治疗领域也展现出巨大潜力,因为它们可以由人体自身的iPS细胞制备而成。

六胚状体并未包含滋养细胞,这类细胞对于胚胎附着于子宫内膜以及成功植入。同时,滋养细胞也是形成胎盘不可或缺的组成部分。因此,现有的系统尚无法完全模拟人类胚胎的完整发育过程。由于滋养细胞的缺失以及系统结构的局限性,导致了该模型仅能复制人类发育的某一部分。下一步提高对造血机制的理解,特别是如何引导特定细胞类型的形成,或者增强其功能。此外,作者还期望能够将现有的细胞平台与计算模型相结合,以期改进对多细胞生物发展过程的预测能力。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06914-8