Nature：在体外成功重建人类体节发生

尽管米开朗基罗的杰作“大卫”捕捉到了人类身体的壮丽，但在人类发育过程中，这种精致的身体构造（body plan）究竟是如何建立的，一个多世纪以来一直困扰着科学家。这主要是由于在研究中使用人类胚胎所带来的技术限制和伦理问题。

然而，如今，在一项新的研究中，来自日本京都大学等研究机构的研究人员利用培养皿和诱导性多能干细胞（iPSC）揭示了人类身体构造的早期阶段是如何建立的。相关研究结果于2022年12月21日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Reconstituting human somitogenesis in vitro”。论文通讯作者为京都大学人类生物学高级研究所的Cantas Alev博士。

与动物界的其他生物类似，人体由重复的解剖单元或节段（segment）组成---一个突出的例子是人类脊柱的椎骨。人类胚胎中这类节段的最原始版本被称为体节（somite），产生于一种叫做前体节中胚层（presomitic mesoderm, PSM）的胚胎组织，并有助于形成多种结构，包括软骨、骨骼、皮肤和骨骼肌。

虽然Alev及其同事们以前的研究工作重建了所谓的分节时钟（segmentation clock），这是人类体节正确形成所需的分子振荡器和基因表达的动态“波”，但它不能再现人类体轴发育过程中发生的复杂的三维形态学和结构变化。

在这项的新研究中，这些作者使用由人类iPSC衍生细胞和Matrigel（一种富含胞外基质成分的粘性凝胶化合物）组成的混合物，构建出一种三维模型，该，模型可以在培养皿中再现我们早期身体构造的产生，他们称之为“axioloids”。

Alev说，“（我们的）axioloids不仅捕获了分节时钟的振荡性质，而且还捕获了在分节和体节发生过程中观察到的分子以及三维形态和结构特征。”

通过在他们的实验设计中采取自下而上的方法，Alev和他的团队发现了维甲酸（更常见的是维生素A及其衍生物）在体节形成过程中的一个以前未被重视的功能作用。Alev评论说，“我们自下而上的方法对于揭示体节形成过程中维甲酸的作用至关重要。许多人可能错过了这一重要作用，因为维生素A是一种常见的补充剂，通常包括在培养基中。”

Alev解释道，当axioloids与实际的人类胚胎进行比较时，它们显示出“与卡内基第9-12阶段的人类胚胎有显著的相似性，众所周知，这是人类发育过程中的一个关键阶段，在该阶段，大脑和心脏等器官开始形成。”

最后，利用含有通常与先天性脊柱疾病相关的突变的iPSC，这些作者证实axioloids能够有助于确定这些突变如何促成这些疾病的发病机制。

Alev说，“我们（自下而上的）构建axioloids的方法不仅使我们能够解开基本的生物过程，如细胞形态和细胞状态，而且使我们能够确定突变如何导致脊柱疾病。我们还预计，为了更好地了解其他疾病的病因和病理，类似的策略将变得越来越必要。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Cantas Alev et al. Reconstituting human somitogenesis in vitro. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05649-2.

2. Sculpting the human body plan in a dish
https://phys.org/news/2022-12-sculpting-human-body-dish.html