清華大學構建和鑒定非人靈長類類胚胎模型

　　胚胎著床至原腸運動是發育的關鍵時期，也是臨床早期流產的高發期。受限于倫理爭議和樣本來源，相比于模式動物，靈長類圍著床后發育的相關研究明顯滯后。基于胚胎干細胞組裝的類胚胎模型為靈長類胚胎發育研究提供了新的途徑。目前小鼠胚胎干細胞來源的類胚胎能體外培養到神經發生和器官發生階段，人胚胎干細胞誘導獲得的類囊胚也可以模擬囊胚階段的形態和分子特征。非人靈長類具有與人相近的生殖發育和胚胎發育特點，是研究生殖和胚胎發育的理想動物模型。然而，適用于非人靈長類胚胎研究的類胚胎模型至今未見報道。

　　清華大學生命科學學院/清華-北大生命科學聯合中心周帆課題組、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）劉真課題組和孫強課題組合作，在《細胞-干細胞》（Cell Stem Cell）期刊在線發表了題為“食蟹猴胚胎模型模擬原腸運動和早期妊娠反應”（Cynomolgus monkey embryo model captures gastrulation and early pregnancy）的研究論文。該研究利用胚胎干細胞構建了含有主要譜系和結構特征的食蟹猴類囊胚，體外培養后可誘導其產生原腸胚的形態與細胞群體，體內移植后可檢測到早期妊娠囊等早孕特征。

圖1. 結合干細胞體外重構培養和單細胞轉錄組分析，構建與鑒定食蟹猴類胚胎

　　首先，研究人員利用食蟹猴胚胎干細胞進行類囊胚的體外構建。通過比較不同培養狀態的食蟹猴胚胎干細胞并進一步優化體外誘導體系和方法，最終確認了4CL原始態（Na?ve）胚胎干細胞體系與HDM-mTDM兩步法誘導，能夠高效獲得和食蟹猴生理囊胚形態上接近的類囊胚（圖1A）。進一步的單細胞轉錄組測序分析、體外分離與干細胞建系等實驗，提示新構建的食蟹猴類囊胚具有與生理囊胚相似的細胞譜系以及轉錄組特征（圖1B）。

　　接下來，為鑒定其體外發育潛能，作者對食蟹猴類囊胚進行了長時程體外延遲培養。在體外培養至D17，類囊胚發育為圓盤樣類胚胎，并包含羊膜腔、卵黃囊腔等特征性結構，且部分形態與之前報道的人類CS7（E16-19）時期的體內原腸胚相似（圖1C）。結合轉錄組測序數據挖掘和對比分析，作者發現D17食蟹猴類胚胎具有原條細胞（Gast）、原始生殖細胞（PGCs）、羊膜上皮細胞（AME）、胚外中胚層細胞（EXMC）、內臟內胚層/卵黃囊內胚層細胞（VE/YE）、原始造血等細胞群體。作者進一步分析鑒定發現D17食蟹猴類胚胎還具有非神經外胚層（NNE）、新生中胚層（NM），晚期中胚層（AM）、定型內胚層（DE）等三胚層類似的細胞群體（圖1D）。這些結果提示D17食蟹猴類胚胎無論從形態上，還是細胞譜系組成上，都與人類CS7（E16-19）胚胎具有相似特征，提示新構建的類囊胚具有一定著床后發育潛能。

　　最后，作者將食蟹猴類囊胚進行同種體內移植，結果顯示部分受體在移植后能檢測到明顯的著床點和早期妊娠囊，同時伴隨受體血清中絨毛膜促性腺激素和孕激素水平升高，暗示能誘發一定的早孕反應特征（圖2）。

圖2. 非人靈長類類囊胚體外重構和體內外發育潛能研究模式圖

　　綜上，該研究利用胚胎干細胞體外重構了非人靈長類類囊胚，并對其體內外發育潛能進行深入的探究和評估。將非人靈長類的類囊胚體外培養至類原腸胚時期，為進一步優化靈長類類囊胚的體外重構策略，以及深入理解靈長類的胚胎發育過程提供了有價值的研究模型。

　　中科院腦智卓越中心劉真研究員、清華大學生命學院周帆助理教授、中科院腦智卓越中心孫強研究員為該論文的共同通訊作者。中科院腦智卓越中心博士后李杰、清華大學周帆課題組科研助理朱慶元、中科院腦智卓越中心與西北農林科技大學聯合培養博士生曹靜、清華大學生命學院2021級博士生劉瑩、以及中科院腦智卓越中心非人靈長類研究平臺實驗師陸勇為該論文并列第一作者。清華大學生命學院2021級博士生李倩等為本研究提供了重要幫助。