Cell Stem Cell：仅利用小鼠胚胎干细胞就可构建出具有大脑和跳动心脏的体外合成胚胎

就在宣布利用小鼠干细胞开发出小鼠胚胎模型（具有跳动的心脏以及大脑）两周后，来自英国剑桥大学、以色列魏茨曼科学研究所和美国加州理工学院的研究人员在一项新的研究中发表了关于另一种仅利用小鼠胚胎干细胞达到类似发育阶段的小鼠胚胎模型的新发现。这一改进简化了实验方法，使这种胚胎模型更容易被其他实验室采用。相关研究结果于2022年9月8日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“Mouse embryo model derived exclusively from embryonic stem cells undergoes neurulation and heart development”。论文通讯作者为剑桥大学的Magdalena Zernicka-Goetz和魏茨曼科学研究所的Yonatan Stelzer。论文第一作者为剑桥大学的Kasey Lau和魏茨曼科学研究所的Hernan Rubinstein。

Zernicka-Goetz说，“这一发现开辟了新的途径，让我们了解为什么绝大多数的人类妊娠会丢失，并获得能够防止这种情况发生的知识。这些知识也将让我们，随着时间的推移，比现在更有效地修复组织和器官。”

她解释说，“随着我们进一步开发这类胚胎模型，我们将更多地了解启动和指导器官发育的信号，这将为我们提供协助在体外培养过程中产生器官的路线，最终将会在移植手术或再生医学中找到应用。”

2022年8月25日，在Nature期刊上发表的一篇论文（Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05246-3， 详细新闻参见生物谷报道：Nature：利用干细胞成功培育出具有大脑和跳动心脏的合成胚胎https://news.bioon.com/article/b87fe37172f4.html）中，该团队详细介绍了如何用小鼠胚胎干细胞和胚胎外干细胞开发一种小鼠胚胎模型。该团队没有通过结合卵子和精子的自然生物学方法来构建小鼠胚胎，而是引导三个体外培养的干细胞群体相互作用，诱导某些基因的表达，并为这些细胞之间的“对话”建立一个环境。结果就是这些干细胞自我形成的结构随后通过连续的发育阶段，直到这种小鼠胚胎模型具有明确的前脑和中脑区域的头褶（head-fold），发育出跳动的心脏样结构、由括神经管和体节组成的躯干、包含神经中胚层祖细胞的尾芽（tail bud）、肠管（gut tube）和原始生殖细胞。此外，它还有卵黄囊和促进胚胎和母体之间的气体和营养交换。这是迄今为止在干细胞衍生模型中实现的最先进的发育阶段。

自然地，在受精后的头几天，早期小鼠胚胎有三大类组织在发育：一类最终将成为身体的组织，另外两类将支持胚胎的发育。这后两种类型中的一种被称为滋养层（trophectoderm），将成为将胎儿与母体连接起来并给胎儿提供氧气和营养物的胎盘。另一种被称为原始内胚层（primitive endoderm），将产生卵黄囊，它是胚胎生长的地方，胚胎在早期发育中从那里获得营养。三种类型的干细胞可以分别从小鼠胚胎的这三种组织中提取，并在实验室中无限期地培养。

图片来自Cell Stem Cell, 2022, doi:10.1016/j.stem.2022.08.013。

在这项先前研究的基础上，这篇论文中报告的小鼠胚胎模型仅由体外培养的单一干细胞---胚胎干细胞（ESC）---产生。一种未经处理的胚胎干细胞成为胚胎的主体。该胚胎干细胞系经这些作者的诱导后变得像胚胎外内胚层干细胞（extraembryonic endoderm stem cell），从而提供一系列发育信号。他们还可驱动该胚胎干细胞系变得像滋养层干细胞（trophoblast stem cell），从而提供另外一系列发育信号。因此，他们能够通过仅从胚胎干细胞开始，重建发育中的小鼠胚胎的三种主要组织。这简化了实验方案，同时仍然保留了这三种组织之间的重要信号事件，这对建立胚胎的形体构造（body plan）至关重要。

Zernicka-Goetz解释说，“在这三种干细胞类型中，只有胚胎干细胞是多能的，也就是说，只有胚胎干细胞有潜力产生身体的任何组织。但要做到这一点，它们需要其他两种类型的胚胎外干细胞。胚胎干细胞可以经引导后成为这另外两种胚胎外干细胞类型。通过这种方式，我们最终有三种起始细胞类型都是由单一的胚胎外干细胞系产生的。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Kasey Y.C. Lau et al. Mouse embryo model derived exclusively from embryonic stem cells undergoes neurulation and heart development. Cell Stem Cell, 2022, doi:10.1016/j.stem.2022.08.013.

2. New advances in stem-cell derived mouse embryo model
https://phys.org/news/2022-09-advances-stem-cell-derived-mouse-embryo.html