Cell | 吴军团队基于3D培养模拟人类早期胚胎发育

2024-05-11 14:16:44, 鸢尾与半夏 TargetMol中国

近年来，哺乳动物胚胎研究取得了显著进展，并深入揭示了胚胎惊人的自组织能力。胚胎的复杂发育过程需要精密协调，最终形成一个完全发育成熟的生物体。早期胚胎发育包括一系列细胞分裂和细胞命运决定的过程，从全能受精卵发展到囊胚阶段，形成了胚外胚系的三个基本组织：外胚层、内胚（或称为原始内胚）和滋养层。这些胚外胚系细胞已经成功地在体外复制为不同的干细胞类型，如胚胎干细胞（ESCs）、滋养层干细胞（TSCs）和胚外内胚层（XEN）干细胞。目前通过不同的分化方法，这些干细胞可以分化为类似于体内对应细胞的类型。然而，现有的胚胎模型在模拟人类胚胎早期发育过程中仍存在一些限制。

近日，来自美国德州大学西南医学中心的吴军教授团队在国际顶刊《cell》上在线发表了题为“Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids”的研究型文章（图1）。

研究人员利用双向发育潜能的人类扩增性多能干细胞（hEPSCs），建立一个先进的集成模型，称为“类胚胚团”，以研究人类胚胎早期发育的关键过程。这一模型利用hEPSCs的自组织能力，实现了对胚胎和胚外组织复杂发展过程的研究，并有望为深入研究人类胚胎发育提供新的平台。

图1

研究人员开发了一种稳健的方法来模拟人类胚胎发育。他们通过将上胚层（epiblast-like cells）和下胚层（epiblast-like cells）样细胞组合成一个三维模型，实现了早期植入后的人类胚胎中滋养层组织与上胚层组织的物理分离。为了实现从人类多能干细胞向下胚层细胞的分化，他们改进了一种称为HDM的培养基，其中包含FGF2、Activin-A和CHIR99021。通过优化FGF信号，成功地诱导出HLCs，并在长期的细胞传代过程中实现了上胚层样细胞和下胚层样细胞的稳定共培养（图2）。

图2

研究人员通过将人类多能干细胞（hEPSCs）分化为上胚层样细胞和下胚层样细胞，利用AggreWell板进行三维培养，构建了模拟植入后人类胚胎结构，称为类胚胎（peri-gastruloids）。他们成功地实现了在tHDM培养条件下的细胞分离，形成了类似上胚层样细胞和下胚层样细胞的聚集体。经过培养方案优化，研究人员发现聚集体在稳健生长和自组织方面表现出色，能够模拟人类胚胎早期发育的关键过程和早期器官形成阶段（图3）。这些类胚胎宝含了类似羊膜和上胚层样细胞，以及产生了原始生殖细胞样细胞（PGCLCs）的迹象。通过适当的细胞系和培养条件，这些类胚胎形成了具有明确特点的类似羊膜腔和原始卵黄囊腔结构（图4）。

图3

图4

随后，研究人员观察到在类胚胎的发展过程中，成功建立了前后（A-P）轴后，继续出现显著的生长的迹象。到了第8天，类胚胎内形成了类似三胚层的结构，并伴随原条 (primitive streak) 的形成（图5）。原条的形成在诱导神经管与椎体的发生中有重要作用，也是三胚层分化的标志，这也是首次在体外试验中成功模拟了胚胎的早期发育过程。

图5

研究人员进一步观察到从第8-9天开始，类胚胎出现了类似神经分化的现象。到第11天，类胚胎的直径约为0.8-1毫米，具有明确的胚盘类似区域、原始囊和羊膜囊。在第10-12天的类胚胎中，通过免疫染色可观察到在原条和神经板中表达NCAD。在类胚胎的一端，NCAD⁺细胞呈现出更类似间充质细胞的外观。这些细胞位于SOX2⁺细胞的簇集旁边，形成了类似尾芽的结构。而在另一端，表达高水平SOX2的NCAD⁺细胞则表现出更类似上皮细胞的特征，暗示它们可能属于神经外胚层。进一步的免疫染色结果显示在类胚胎的第10-11天发现了类似闭合的神经管结构。此外，组织切片的染色显示类胚胎中存在多种胚内和胚外组织，与人类胚胎第8个孕周的情况相似。这些综合的证据表明在第10-12天的类胚胎中发生了类似神经分化的过程，进一步证明了类胚胎模型的有效性。

为了明确类胚胎和生理环境下灵长类胚胎的细胞一致性，研究人员使用单细胞RNA测序技术对第11天的类胚胎进行了深入研究。通过UMAP分析和不同表达基因的鉴定，他们识别出了13个主要细胞簇，包括后植入期的上皮胚簇、原条簇、神经外胚簇、表面外胚簇等。研究人员还发现了表达有标志性基因的细胞群，如眼原基细胞，以及不同类型的间充质和内胚层细胞。他们还将类胚胎的单细胞RNA测序数据与人类和猕猴胚胎的数据进行了比较，结果显示类胚胎在细胞类型上高度一致，验证了类胚胎在单细胞转录组学水平上重现了主要的灵长类胚胎细胞类型，证实了类胚胎作为模型在研究灵长类类胚胎细胞类型方面的潜力（图6）。

图6

总结

在这项研究中，研究人员生成了一个集成的人类胚胎发育阶段胚胎研究模型，利用hEPSCs，他们成功建立了一个稳健高效的方案，生成了早期植入后的人类胚胎样结构，称为类胚胎。类胚胎模型具有几个优点，包括相对简单的实验方法，不需要转基因指导的分化，只需一个起始细胞类型和最小程度的操作。总的来说，类胚胎可能为超越早期器官发生阶段的深入研究奠定基础。

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