看清人生最初的模樣，科學家建立人類胚胎三維模型
來源：學術經緯
人類胚胎的早期發育過程，蘊藏著生命之初的諸多奧秘。而技術與倫理上的種種限制，讓這一過程猶如「黑匣子」，我們對此的直觀了解極為有限。
今日，頂尖學術期刊《自然》雜誌在線發表的一篇最新論文中，英國劍橋大學和荷蘭Hubrecht研究所的科學家們，合作帶來了一項突破。利用人類胚胎髮育幹細胞，他們建立了一種模擬早期胚胎的三維模型。研究作者表示，「這種令人興奮的新模型系統，將使我們能夠首次在實驗室中揭示和探索人類早期胚胎髮育的過程。」
從單個細胞變成一個結構複雜的人，在胚胎髮育過程中，原腸胚的形成是一個關鍵階段。在此過程中，一團「均勻的」細胞通過自行摺疊，變成了可分為三層細胞的有序組織。原腸胚特有的三個細胞層隨後將分別產生出人體的所有器官和主要系統。
許多出生缺陷源於原腸胚階段受到酒精、藥物、化學物質或感染的影響。對原腸胚的理解，還可以為不孕、流產、遺傳病等提供線索。
儘管如此重要，科學家們對人類的原腸胚形成知之甚少。一個重要原因是，法律和倫理不允許在實驗室里培養14天以後的人類胚胎，而原腸胚形成開始於這個時間點。由於缺乏合適的模型，要研究人類的原腸胚形成一直有難度。
此次研究中，科學家們避免使用自然的胚胎，用幹細胞建立「類原腸胚」模型，有望解決這個難題。
▲人類類原腸胚的偽彩掃描電子顯微鏡照片（Credit： Naomi Moris）
劍橋大學的遺傳學教授Alfonso Martinez-Arias和同事們在先前的工作中，成功用小鼠胚胎幹細胞在體外培養出了「類原腸胚」，也就是與原腸胚特性類似的三維多細胞聚集體。動物模型能為我們了解人類的原腸胚形成提供線索，但隨著細胞分化，動物模型可能與人類胚胎有不同的表現，比如對藥物的反應，而這恰恰與很多出生缺陷有關。
因此，研究團隊在過去的技術基礎上進一步開發了人類胚胎髮育模型。他們將一定數量的人類胚胎幹細胞放置在小孔中培養，在那裡，細胞形成了緊密相連的一團。隨後，在特殊的培養環境中，經過化學信號處理，懸浮的細胞團開始發生變化。
自然產生的原腸胚會破壞原本細胞團的對稱性，產生前後極性。而從形態上看，培養的類原腸胚也會逐漸拉長，分出前後端。並且，和人類的原腸胚特徵一樣，細胞群出現了特有的三胚層結構。
▲培養24小時、48小時和72小時的人類類原腸胚，藍色標記了DNA，紅色標記神經細胞，綠色標記中胚層細胞（Credit： Naomi Moris）
為了確認這種三維模型可以用於再現人類早期發育的關鍵事件，研究人員使用空間轉錄組學，觀察了其中的基因表達變化。在培養72小時的類原腸胚中，他們發現了一系列清晰的基因表達特徵，是與促進重要身體組織的發育有關的，包括胸肌、骨骼和軟骨等結構；不過，這些細胞沒有發育出腦細胞。
研究人員將類原腸胚與Carnegie分期系統人類胚胎髮育時間表進行比對後認為，培養72小時的類原腸胚相當於Carneigie9期、也就是約18~21天大的人類胚胎。
▲出現「前後」之分的人類類原腸胚，綠色為後段，模擬胚胎尾端，紫色是前段，相當於發育中的心臟細胞，灰色標記DNA（圖片來源：Naomi Moris）
不過，這些類原腸胚並不會發育出成形的胚胎。它們不含腦細胞，也沒有胚胎植入子宮所需的組織。因此，它們不會逾越早期發育階段，也就不違背倫理標準。
「我們的模型產生了人體發育藍圖的一部分。」 Martinez-Arias教授說，「能夠見證過去一直沒有人看過、沒有人研究的發育過程，令人興奮。」
由人類胚胎幹細胞培育出的這種「類原腸胚」新模型，還可以為弄清出生缺陷的原因、改進疾病模型提供巨大的潛力，Moris博士補充說道。
