最新研究打開了人類胚胎早期發育的“黑匣子”

　　臨床上，大約30%~40%的情況下，胚胎會出現無法著床或正常發育的現象，部分原因來自胚胎，然而具體機制尚不清晰。闡明胚胎從著床開始的早期發育情況，對不孕癥的干預、試管嬰兒技術成功率的提升至關重要。

　　然而人類胚胎在植入子宮后的早期發育情況，由于倫理和技術的限制而長期處于“黑匣子”般的狀態。

　　12月12日，昆明理工大學靈長類轉化研究院李天晴和季維智團隊與云南省第一人民醫院生殖科合作，宣布開發出一個三維（3D）人囊胚培養體系，并且首次繪制了人原腸前胚胎的發育全景圖，為研究人著床后的早期胚胎發育建立了研究基礎。相關研究成果于當日在線發表于《自然》雜志。

　　7天之后的“黑暗地帶”

　　人類胚胎發育到第7天，需要植入母親的子宮，才能繼續存活和發育。

　　7天之后，胚胎在子宮中發生了什么變化，導致這些變化的關鍵細胞和分子事件是什么？出于倫理考慮和技術限制，這些問題很難用實驗手段來解析。

　　如果能在體外環境下讓人類胚胎繼續發育，并且仍能呈現胚胎在體內發育的結構和進程，將為深入認識人類胚胎發育機制打開更廣闊的局面。

　　早在2016年，劍橋大學和洛克菲勒大學的兩個科研團隊在二維（2D）培養皿中成功將人囊胚延遲培養到12～13天，這些2D培養的胚胎初步顯示出體內胚胎發育的一些簡單結構。這項里程碑式的工作被《科學》評為2016年全球10大科技進展之首，也帶動全世界的科學家們展開了一系列新興研究。

　　2019年8月，北京大學第三醫院喬杰課題組和湯富酬課題組應用上述體外模擬人類胚胎著床培養體系，首次闡述了人類胚胎著床過程（受精后第5天到14天）的基因表達調控網絡和DNA甲基化動態變化規律，解析了圍著床期胚胎發育的分子調控機制。

　　然而，2D培養的胚胎作為研究材料有著先天缺陷。這些胚胎是扁平的，與子宮內的胚胎在形態上、細胞之間的拓撲關系上有著明顯差異。盡管這些胚胎12天后仍在繼續存活，但整個胚胎結構發生了坍塌和紊亂，導致很多細胞類型（羊膜上皮）、腔（羊膜腔、卵黃囊）和結構（基底膜、前后軸、原條）都無法清楚觀測。

　　“這些缺陷決定了2D體外培養體系很難真正模擬體內胚胎的發育。” 此次發表論文的通訊作者之一、昆明理工大學靈長類轉化研究院教授李天晴對《中國科學報》說。

　　從2D走向3D

　　李天晴課題組多年來在培養基設計和組織細胞培養上積累了豐富經驗。這一次，他們改善培養基成分和培養方法，加入一定生物材料來模擬子宮內部環境，支撐胚胎以三維（3D）結構生長發育。

　　研究人員利用這一體系，在獲得倫理允許和病人知情同意的條件下，首次將臨床上捐獻的人囊胚在3D條件下培養到原條階段（第14天），但未出現早期神經系統的發育，符合當前胚胎研究的國際倫理。

　　這些3D胚胎能高度模擬體內胚胎的發育，經歷不同形態的發育并自發組裝成2D條件下無法產生的3D結構。

　　研究揭示了一些有趣的事實：與小鼠等嚙齒類動物不同，人的羊膜上皮細胞發生于原條形成之前；猴子和人上胚層細胞在代謝上具有明顯差異，而在維持干細胞多能性以及發育的關鍵分子和信號通路上具有保守性；上胚層細胞（PSCs，多能干細胞）著床后將很快從原始態（naive）轉變到始發態（primed）。其PSCs表達譜的變化，主要發生在內細胞團到著床前上胚層細胞以及原條產生的兩個階段，PSCs在著床到第14天期間保持相對穩定狀態……

　　“關于多能干細胞的發現尤為重要。”李天晴說，“原始態干細胞的分化能力和嵌合能力遠遠高于始發態。但現實中很難獲得原始態干細胞系。如果我們能研究清楚多能干細胞從原始態到始發態的轉化過程，對干細胞的研究和應用有很重要的意義。”

　　探索哺乳動物的“里程碑事件”

　　本文另一位通訊作者，中國科學院院士、昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院院長季維智告訴《中國科學報》，該院長期關注靈長類動物胚胎早期著床后發育的研究。早在2019年10月底，該院就同云南中科靈長類生物醫學重點實驗室等單位合作，實現了食蟹猴胚胎體外20天的培養，并對這一過程的細胞和分子變化進行了詳細研究。

　　“靈長類胚胎早期著床后發育是哺乳動物發育中的里程碑事件，然而這一階段也是胚胎發育研究中最不清楚的時期之一。”季維智說，“這一階段發育的異常不僅會導致胚胎流產，也會對將來整個個體的生長與發育產生深遠影響。系統研究這一階段的細胞及分子生物學事件，有著非常重要的意義。”

　　“然而我們無法直接在人體內對這一階段進行觀察。”未參與此項研究的同濟大學教授高紹榮一直關注著這項工作的進展，“在體外建立一個可以較好模擬體內環境的胚胎培養體系，就能讓我們充分了解這一過程中發生的微觀事件，比如人體發育早期的細胞分化、組織分化和器官形成等過程。”

　　“3D培養技術相較于之前的2D培養技術，優勢在于體外創造一個更接近母體子宮的環境，更準確地展現更多發育細節。” 高紹榮說，“這是一項值得期待的技術。”