在體外由多能干細胞生成正確分化的胚胎結構一直是一項挑戰。弗吉尼亞大學的研究人員近日通過經實驗設計的形態發生素（morphogen）信號中心發出的小鼠胚胎干細胞聚集指令，誘導生成了一個小鼠胚胎樣實體（胚狀體），這有望成為體外研究和疾病建模的強大工具。

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日發表在《Nature Communications》雜志上。
 

近年來，科學家在體外復制哺乳動物胚胎發育方面做了大量的工作。他們利用干細胞生成了類器官，能夠模擬真實器官的顯微結構。為實現更高程度的組織化，器官需要具有血管并受神經支配，并且包含來自三個胚層的各種細胞和組織類型。以往的研究取得了很大突破，但在體外只能實現部分發育。

為此，弗吉尼亞大學細胞生物學教授Christine Thisse領導的研究團隊試圖通過在小鼠胚胎干細胞聚集體中設計一個局部的形態發生素信號中心來實現廣泛的胚胎發育。在小鼠胚胎中，原腸胚的初始結構是由三種信號分子相互作用產生的：形態發生素BMP4、NODAL和WNT。

于是，研究人員在小鼠ESC聚集體中設計了分泌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個細胞）。在培養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WNT3和NODAL的表達。然后，將這些經過處理的小聚集體放在培養板中，與未經過處理的大聚集體接觸。1小時后，它們自發融合形成更大的結構，稱為胚狀體（embryoid）。
 

圖1. 產生胚狀體的實驗策略

通過原位雜交等分析，他們發現胚狀體顯示出原腸胚形成的明確證據，其中涉及到的中胚層細胞運動與從小鼠胚胎中觀察到的相似。免疫標記、細胞追蹤和轉錄組學分析表明，這些胚狀體通過原腸胚形成過程形成三個胚層，且它們表現出廣泛的發育結構，與神經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，胚狀體分化出一個原始的腸管，它在前后端和背腹側都有序形成。在脊索中胚層的外側，胚狀體顯示出體節和中間中胚層，前端形成跳動的心臟組織，并形成脈管系統網絡。總之，這組數據表明胚狀體中存在各種中胚層細胞群。

最后，他們還鑒定了分化為神經板狀結構的外胚層。胚狀體的背側神經板顯示出類似于小鼠胚胎神經上皮的組織學性質，并折疊和閉合形成神經管，從后中腦到尾部尖端前后排列（圖2）。這些結果表明，在相當于小鼠胚胎的神經胚期，胚狀體呈現出神經板/管狀結構，具有前后軸（AP）和背腹軸（DV），顯示出典型的哺乳動物神經板/神經管的組織學特征。（本研究中GFP標記的129胚胎干細胞由賽業OriCell®提供。）
 

圖2. 胚狀體的外胚層衍生物

大量細胞和單細胞轉錄組學分析也證實了他們觀察到的結果，即胚狀體沿著前后軸和背腹軸經歷了三個胚層的圖式形成。此外，scRNA-seq分析結果表明，胚狀體以類似小鼠胚胎的時空方式執行發育程序。

總而言之，這種新型的胚狀體模型顯示人們在體外復制哺乳動物胚胎發育方面取得了重大進展。它能夠發育成沿著前后軸正確排列的三個胚層，允許不同區域從周圍組織中接收信號或發送信號。這種模型有望應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