Nature：重磅！人造胚胎新突破，首次发育出完整大脑结构和心脏

来源：Brainology

许多科幻作品都描述过这样一个场景：未来的人类在一个容器里孕育生长，而且无需精子和卵子的结合，只需一小团细胞便能制造出许多“新人类”。人造子宫，无性繁殖，这些概念似乎只存在于科幻作品中，但随着科学技术的发展，这些科幻概念正在一步步写入现实。 

2022年8月25日，英国剑桥大学和美国加州理工学院等机构的研究人员在 Nature 期刊发表了题为： Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis （合成胚胎完成原肠发育到神经形成和器官形成） 的研究论文。 该研究构建了一种 干细胞来源的合成小鼠胚胎 。这一胚胎模型复现了自然小鼠胚胎从受精到第8.5天的各个发育阶段，包括清晰脑区域划分、一个神经管以及一个搏动的心脏样结构的形成，并可以用来观察基因敲除对胚胎发育的影响。

胚胎干细胞 （ESCs） 能够在实验室形成胚胎样结构，但是这些人造胚胎模型无法全然模拟发育的所有阶段，例如，它们无法完全复现神经胚 （neurula） 的形成过程，更不要说后续脑和脊髓的分化。 值得注意的是，在自然发育过程中，受精卵不仅分化为胚胎干细胞，还包括形成卵黄囊的内脏内胚层 （VE） 以及形成胎盘的胚胎外胚层 （ExE） 。胚胎干细胞 （ESCs） 需要与这些胚胎外干细胞相互作用才能充分发挥其发育能力。 

基于此，研究团队通过将胚胎干细胞 （ESCs） 与来自胚胎外胚层（ExE）前体的滋养层干细胞 （TSCs） 以及来自内脏内胚层（VE）前体的胚外内胚层干细胞 （XEN） 聚集在一起来组装人造小鼠胚胎——ETiX胚状体 （ETiX-embryoid） 。 令人兴奋的是，通过这种方式生成的ETiX胚状体能够发育到神经胚形成之后，即相当于自然小鼠胚胎至受精后8.5天的发育程度 （小鼠的整个妊娠期约为20天） ，并形成了所有大脑区域、一个神经管、一个搏动的心脏和一个肠管。神经管两侧有发育的神经褶，尾部形成原始生殖细胞，这个完整的胚胎模型在形成血岛的胚外卵黄囊内发育。

自然胚胎（上）与人工合成胚胎（下）对比，可以看见两者的大脑与心脏结构 

研究团队表示，ETiX胚状体完全通过三种干细胞类型的自组织来实现此结果，而不需要提供任何额外的外部信号。此外，与其他干细胞来源的胚胎模型相比，ETiX胚状体的大脑头褶 （cephalic fold ） 结构的形态发生方式与自然胚胎非常相似。 该研究的第一作者 Gianluca Amadei 博士表示， 目前，我们还没有研究肠道及其相关器官内胚层祖细胞建立以外的发展，可能有必要优化培养条件来实现这一目标。

然而，我们相信，在适当的培养条件下，ETiX胚状体在培养中不会进一步发育。 在进一步实验中，研究团队成功展示了敲除Pax6基因 （参与眼部和其他感觉器官的发育） 的胚状体模型，导致的效果和自然Pax6敲除的小鼠胚胎相似。从这一点来看，ETiX胚状体模型可以很好地在体外模拟敲除基因对胚胎发育的影响，为研究特定基因对发育的影响提供了一个十分便利的研究模型。 

Gianluca Amadei 博士表示，后续计划将ETiX胚状体模型应用于解剖分子途径和筛选影响胚胎发生的化学药物。 总而言之，这项 Nature 最新研究表明，胚胎干细胞和两种类型的胚外干细胞具有自组织能力，所形成的ETiX胚状体模型可通过原肠发育、神经形成和早期器官发生重建哺乳动物的发育，由此提供了一个有用的生理学胚胎发育模型，为研究发育和疾病机制提供了新机会。

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