為何不孕流產？人類囊胚模型或許能解答
多個研究小組從人類干細胞中制造出了人類胚胎最早期發(fā)育階段的囊胚模型。Credit: UT Southwestern
撰文 | 杜憶南 紀冬梅
責編 | 計永勝
● ● ●
生命起始于精卵結合。隨后，這枚受精卵細胞一邊向著子宮的方向前進，一邊發(fā)生分裂。當它抵達子宮合適部位的時候已經演變成由滋養(yǎng)層（Trophectoderm）、上胚層（Epiblast）和下胚層（Hypoblast）組成的囊胚（Blastocyst）。囊胚著床后，也就是與母體細胞 “緊密” 銜接后，滋養(yǎng)層、上胚層和下胚層分別發(fā)育為胎盤、胚體和卵黃囊……
探索人類胚胎的發(fā)育機制，尤其是最早期囊胚的形成與發(fā)育過程，是我們解析早期流產、不孕不育和出生缺陷等臨床問題的關鍵途徑。
遺憾的是，雖然已有多個研究團隊成功地利用小鼠干細胞在體外實現(xiàn)小鼠囊胚模型的構建，但是在人囊胚樣結構的模型研究上，科學家舉步維艱，先前只能分別誘導出上胚層、滋養(yǎng)外胚層和下胚層細胞，而不能將三者有機整合為囊胚結構。
2021年3月17日，《自然》雜志報道了兩項突破進展。美國德克薩斯西南醫(yī)學研究中心教授吳軍團隊和澳大利亞蒙納士大學教授何塞·波羅（Jose Polo）團隊分別利用人類多能干細胞誘導和成體細胞重編程技術成功獲得了人類胚胎最早期發(fā)育階段的囊胚模型（被命名為Blastoid和iBlastoid）[1,2]。這兩個囊胚樣結構均包含了人類真實囊胚中的干細胞類型，空間分布一致，并可在實驗室環(huán)境中模擬人類早期胚胎的發(fā)育和著床過程。
“這兩項研究將分散的信息完美整合在一起，為我們了解胚胎最早期的發(fā)育方式構建了具有潛在應用價值的實驗模型。而我們對胚胎最早期的發(fā)育知之甚少?！?加拿大多倫多兒童醫(yī)院發(fā)育生物學家珍妮特·羅森特（Janet Rossant） 評論道 [3]。
圖1. 吳軍團隊體外構建的人類囊胚模型。（圖源：參考文獻[1]）
吳軍團隊主要使用的是多能干細胞?？蒲腥藛T將干細胞置于3D培養(yǎng)系統(tǒng)，先用下胚層細胞分化培養(yǎng)基（Hypoblast differentiation medium，HDM）培養(yǎng)，后改為滋養(yǎng)層細胞分化培養(yǎng)基（Trophoblast differentiation medium，TDM）。數(shù)天后獲得了囊胚樣結構（Blastoid）。
囊胚樣結構在形態(tài)結構、細胞種類數(shù)量和基因表達上都與真實的人囊胚（受精后6天）高度相似。并且，從囊胚樣結構中分離出的細胞（上胚層細胞、滋養(yǎng)層細胞和下胚層細胞）有進一步地向對應方向分化的干細胞潛能。此外，通過體外模擬子宮植入實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)一部分囊胚樣結構能粘附在培養(yǎng)皿上發(fā)育，其中某些能生成類似于真實囊胚在著床后的羊膜囊腔和卵黃囊腔的結構。
何塞·波羅團隊同樣使用了3D細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，但他們是將人體成纖維細胞進行了重新編程，誘導成為囊胚樣結構，并命名為iBlastoid。iBlastoid也同時具備上胚層、滋養(yǎng)層和下胚層細胞，并能在實驗室培養(yǎng)條件下繼續(xù)發(fā)育。
圖2. 何塞·波羅團隊體外構建的人類囊胚模型。（圖源：參考文獻[2]）
這兩項研究的確取得了重大突破，但兩篇論文的作者在描述實驗結果時仍很謹慎，承認研究的局限性，比如對囊胚樣結構的誘導效率有待提升，獲得率還不夠穩(wěn)定；單細胞轉錄組分析結果提示囊胚樣結構中還包含了一些在真實囊胚中并不存在的細胞類型。同時，由于法律與倫理限制，兩個團隊均沒有將囊胚樣結構長時間繼續(xù)培養(yǎng)（未超真實胚胎發(fā)育14天限制），因此無法評估該囊胚模型后續(xù)發(fā)育中與真實囊胚的吻合度。
吳軍在接受《科學》雜志采訪時也強調，囊胚樣結構不是胚胎，“它只是胚胎發(fā)育最早期階段的多種細胞的集合” [4]。由于涉及到生物醫(yī)學倫理，普通民眾之間對這些研究成果的看法可能會存在差異，正如加州大學舊金山分校生殖和發(fā)育學教授蘇珊·費舍爾（Susan Fisher）所言，這將檢測科學家和大眾對細胞集合的理解有何不同 [4]。
值得一提的是，預印本網(wǎng)站bioRxiv分別于3月9日和3月12日發(fā)布了北京大學第三醫(yī)院研究員于洋團隊和加州理工學院生物學與生物工程部教授瑪格達琳娜·澤尼卡·戈茨（Magdalena Zernicka-Goetz）團隊關于用人類多能干細胞構建囊胚樣結構的文章 [5,6]。
“體外人類囊胚模型為早期胚胎著床失敗或著床后發(fā)育異常導致的不孕或流產提供了直接的研究材料，也適用于環(huán)境暴露組學與相關風險評估?！?安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院生殖醫(yī)學中心主任曹云霞教授點評道，“該模型還可以用于胚胎植入前與產前診斷技術用于阻斷遺傳性疾病傳遞的研究，具有廣闊的臨床研究與應用價值?！?nbsp;
制版編輯 | 盧卡斯
