“无中生有”？Cell重磅｜无需子宫！科学家成功在体外用干细胞培育出胚胎

你是否幻想过长生不老？

你是否希望有一天可以更换身上的“零件”？

2010年裘德·洛主演的电影《重生男人》（Repo Men），就描述了这样的场景：在不久的将来，医学技术的进步实现了人造器官的商业化。我们可以通过分期付款的方式，替换衰竭或者是病变的器官。

电影《重生男人》截图

胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）具备分化成各种器官的能力。为了研究ESC的体外分化能力，科学家们陆续开发出了胚状体（blastoid）、类器官（organoid）、组装体（assembloid）和类原肠胚（gastruloid）等模型，也尝试通过将不同类型的ESC和胚外干细胞（extra-embryonic stem cell）聚集形成类胚体（embryoid）。然而，体外培养的干细胞能否独立地产生完整的原肠胚样结构（gastrulating embryo-like structure），目前依然是科学界的一大挑战。

2021年Nature杂志上报道了以色列魏茨曼科学研究所Jacob H. Hanna课题组开发的一种仿生子宫（ex utero setup）。该装置带有滚筒培养系统、气体和压力调节模块，可以实现干细胞的静态和动态培养。Hanna团队利用该装置，成功实现了小鼠胚胎的体外培养。通过组织学、分子和单细胞 RNA 测序分析，证实通过仿生子宫培养的小鼠胚胎可以正常生长6天。

Jacob H. Hanna团队开发的两代ex utero装置

近日，Cell杂志上报道了Jacob H. Hanna团队的又一突破性进展。研究人员基于升级版仿生子宫，利用初始态胚胎干细胞（naïve ESC）构建了合成胚胎（synthetic Embryo, sEmbryo）。这是科学家首次利用培养皿中的干细胞体外合成胚胎。

研究亮点一：初始态ESC可以形成胚胎组织和胚外组织

初始态ESC可以分化为滋养层干细胞（Trophoblast stem cell, TSC）和原始内胚层细胞（Primitive endoderm, PrE），Cdx4和Gata4分别是ESC向TSC和PrE分化的关键因子。目前，所有的原肠形成前胚胎模型都是由胚胎衍生的TSC细胞（embryo derived TSC, eTSC）所构成。因此，Hanna团队希望通过在初始态ESC中瞬时过表达调控因子（Cdx4或Gata4）生成TSC和PrE，然后再将上述细胞聚集形成小鼠合成胚胎。

研究人员为此构建了三种初始态ESC细胞系：野生型（WT），多西环素诱导Gata4表达细胞（iGata4）以及多西环素诱导Cdx2表达细胞（iCdx2）。将三种细胞混合之后，可以在体外形成蛋筒状结构（egg-cylinder）。通过免疫荧光发现，WT ESC定位在胚体（embryo proper）上，iGata4 ESC定位在内脏内胚层（visceral endoderm, VE），iCdx2 ESC定位在胚外外胚层（extraembryonic ectoderm, ExE）。

蛋筒结构的免疫荧光染色

研究亮点二：合成胚胎具有器官特异性祖细胞

为了验证上述蛋筒状合成胚胎是否可以发育到原肠形成后期，研究人员将经过不同条件处理的初始态ESC，iGata4 ESC以及iCdx2 ESC混合培养。第3天转移至非黏附的细胞培养板，置于摇床中继续培养。第5天将蛋筒状的合成胚胎转移至仿生子宫装置上。第8天获得的合成胚胎，相当于天然E8.5胚胎（小鼠的妊娠期大概是20天）。在培养的过程中，合成胚胎也会像天然胚胎一样，经历发光、对称破坏（symmetry breaking）和原肠胚形成等一系列过程。

合成胚胎体外培养示意图

通过免疫荧光染色，在合成胚胎中成功识别出杯状外胚层（cup-shaped epiblast）、胚外外胚层以及内脏内胚层细胞。在培养到第8天的合成胚胎中，已经可以发现神经皱襞（neural folds），神经管（neural tube），前脑（forebrain），中脑（midbrain），脊索底板（notochord floor plate），肠管（gut tube）、心芽（heart bud）等器官特异性标志物的表达。

培养第8天的合成胚胎与天然E8.5胚胎的免疫荧光染色结果比对

研究亮点三：胚外组织可以在合成胚胎中充分发育

在培养的第 7 天，研究人员发现卵黄囊（yolk sac, YS）开始扩大并包裹住胚胎背侧。此时，羊膜（amnion, AM）、外胎盘（ectoplacental cone, EPC）和卵黄囊血岛（yolk sac blood island）等结构变得十分明显。等培养到第 8 天，羊膜变成从背部包裹胚胎的最内层膜，带血管的卵黄囊在其外侧，而外胎盘则附着于卵黄囊的另一侧。合成胚胎便这样在卵黄囊和羊膜内充分发育。此外，血岛（blood island, BI）在合成卵黄囊中变得随处可见，通过流式分析还发现了造血祖细胞的不同亚型。

培养7-8天的合成胚胎显示出羊膜、卵黄囊、尿囊等结构的存在

展望

目前的器官移植全部依赖于匹配的供体，然而远远不能满足临床的需求。人造器官何时才可以变为现实？

不妨想象一下，假如临床医生从患者的皮肤、肝脏、血液中提取干细胞进行体外培养，然后可以在实验室人工合成胚胎，最终制造出患者需要的替代器官，顺利完成器官移植。由于该器官来源于患者自身的细胞，无需额外寻找供体，更不用顾虑器官移植排斥反应。

尽管学术界有人质疑本文中的合成胚胎不能算是真正的胚胎，只能算是类胚体。但至少，Jacob H. Hanna团队的这项成果，让我们离梦想又近了一步。

Jacob H. Hanna教授展示合成胚胎

除了人造器官，合成胚胎还能为我们带来什么？

干细胞的命运决定，一直是发育生物学领域的关键问题之一。果蝇、斑马鱼和小鼠等动物模型是该领域常用的动物模型，极大推动了干细胞学的发展，但动物模型终究还是与人体实际存在差异。而直接使用人类胚胎又将面临着诸多伦理、甚至是法律层面的问题。因此，在研究工具方面，我们是否还可以有其他选择？

Jacob H. Hanna团队开发的合成胚胎，来源于培养皿中的细胞，虽然尚不能完全模拟天然胚胎，但为我们提供了一种全新的体外器官模型。从实验工具角度考虑，潜在的发展方向可以有以下三点：

1）由于仿生子宫装置的细胞培养模块具备透光性，是一种用于器官发育可视化研究的理想装置。通过活体成像手段，我们可以观察器官形成过程；

2）基于合成胚胎，可以研究发育早期的基因功能、蛋白互作、分子机制，也会帮助理解部分罕见病的发病机制；

3）基于临床样本构建的合成胚胎，如果能进一步形成患者病灶，可以作为疾病体外研究模型，甚至可以实现为患者“替身试药”。

笔者认为，人工合成胚胎将在再生医学、器官移植、罕见病研究、干细胞研究、药物开发等领域发挥更大的作用，让我们拭目以待！

参考文献：

1.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00981-3#%20

2.https://www.nature.com/articles/s41586-021-03416-3

3.https://phys.org/news/2022-08-synthetic-embryo-breakthrough-human.html