華人科學(xué)家開發(fā)突破性干細(xì)胞平臺，打開人類發(fā)育“黑盒子”

王新凱

微流控芯片的特寫照片，該芯片幫助干細(xì)胞組織成胚胎樣結(jié)構(gòu)，用于研究早期人類發(fā)育

傅劍平實(shí)驗(yàn)室研制的一套微流控裝置

2019年9月12日，《自然》雜志發(fā)表了密歇根大學(xué)傅劍平教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果，傅劍平及同事開發(fā)了一種可以成功模擬人類胚胎著床后關(guān)鍵過程的系統(tǒng)，這是一種用于培養(yǎng)人體多能干細(xì)胞的受控環(huán)境，它可以提高合成模型系統(tǒng)的效率和可重復(fù)性。

研究人員由此開發(fā)出來一種微流體裝置——由三個通道組成，分別用于放置細(xì)胞可嵌入的材料，裝載干細(xì)胞，以及輸運(yùn)刺激干細(xì)胞分化的因子，借此研究人員能夠控制干細(xì)胞在早期人類胚胎中面向主要細(xì)胞譜系的分化，可以可靠地產(chǎn)生數(shù)百或數(shù)千種類似胚胎的結(jié)構(gòu)。

由于該系統(tǒng)是在一種嚴(yán)格受控的環(huán)境下使用人體多能干細(xì)胞（PSC），這些合成的胚胎樣囊缺少生成可活胚胎的特化細(xì)胞類型，因此也繞過了與人類胚胎研究相關(guān)的生物倫理問題。

研究人員表示，該成果有助于增強(qiáng)我們對人類胚胎早期發(fā)育的理解，以及有助于母嬰健康方面重要問題的研究，比如確定孕婦在非常早的妊娠期服用藥物是否安全，尋找導(dǎo)致某些先天缺陷和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)的因素等。

模擬胚胎早期發(fā)育

關(guān)于著床后早期胚胎發(fā)育的研究一直備受限制，包括細(xì)胞培養(yǎng)方法難以達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)，以及生物倫理指南禁止使用受精后培養(yǎng)超過14天的人類胚胎。雖然人類和小鼠多能干細(xì)胞（可以分化為特化的細(xì)胞類型）一直被用于模擬著床后的胚胎發(fā)育，但是這類系統(tǒng)在重現(xiàn)關(guān)鍵發(fā)育事件方面的成功率是有限的。

為了模擬胚胎著床后的發(fā)育階段，即羊膜囊開始形成的時(shí)候，也是干細(xì)胞向分化成組織邁出第一步的時(shí)候，研究小組在一個可伸縮的三通道微流體系統(tǒng)中嘗試培育干細(xì)胞。中央通道包含一種模擬子宮壁的凝膠，兩側(cè)有一個通道用于為干細(xì)胞補(bǔ)充營養(yǎng)，另一個通道用于遞送引導(dǎo)。

傅劍平表示，“在傳統(tǒng)的3D培養(yǎng)中，只有不到5%的干細(xì)胞簇會形成胚胎樣結(jié)構(gòu)。有了這個微流體系統(tǒng)，我們可以精確地控制培養(yǎng)環(huán)境，可以達(dá)到90%以上的效率來產(chǎn)生類似胚胎的結(jié)構(gòu)。”

加載到微流體設(shè)備中的干細(xì)胞首先生長成細(xì)胞群落，并自然地形成空心球體。然后，球體鉆進(jìn)凝膠中，就像早期胚胎植入子宮壁一樣。研究人員將此階段稱之為模擬外胚層的1號模型。

為了生成模擬羊膜囊開始階段和外胚層后部的2號模型，研究人員將觸發(fā)球一側(cè)干細(xì)胞的化學(xué)信號加載到微流體裝置中，這些化學(xué)信號使干細(xì)胞變成羊膜囊細(xì)胞。另一側(cè)的干細(xì)胞長得更高更薄，擠在一起，分化成類似于外胚層尾部的細(xì)胞。在真正的胚胎中，這些細(xì)胞會發(fā)育成胎兒的下部身體，也包括形成變成精子和卵子的原始生殖細(xì)胞。

這個階段包括第一個模型。

而為了生成代表外胚層上端的3號模型，研究人員在微流體裝置中加入阻止未分化的外胚層細(xì)胞變成后胚層細(xì)胞的信號分子，在實(shí)際的胚胎中，這些細(xì)胞會繼續(xù)形成胎兒的上部，包括頭部和中部。

胚狀體2號模型和3號模型，包含了存在于實(shí)際胚胎中的部分外胚層細(xì)胞，后部模型不包含前部細(xì)胞，反之亦然。

研究藥物安全和不孕不育

研究人員認(rèn)為，模仿胚胎的干細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以幫助填補(bǔ)人類早期發(fā)育知識的關(guān)鍵空白，這可能會帶來諸多好處。

“這項(xiàng)研究可以為我們打開一扇窗，讓我們了解懷孕后兩到四周這段關(guān)鍵但難以觀察到的時(shí)期。這是一個流產(chǎn)多發(fā)和嚴(yán)重先天缺陷開始形成的時(shí)期，一些晚發(fā)性疾病也被發(fā)現(xiàn)和早期發(fā)育之間有聯(lián)系。如果我們要制定預(yù)防措施，我們就需要更好地理解這些過程。”傅劍平說道。

我們對藥物如何影響胚胎發(fā)育缺乏了解，這是一個嚴(yán)重的公共健康問題。但是目前關(guān)于人類發(fā)育最準(zhǔn)確的見解，來自于對大型動物或完整人類胚胎的有限研究，因此也不可能在足夠大的范圍內(nèi)進(jìn)行化學(xué)和藥物篩選等應(yīng)用。

美國疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and Prevention）援引的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在孕婦懷孕前三個月使用的54種最常見的藥物中，63%的藥物的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)“非常有限”，只有4%擁有“優(yōu)秀”的數(shù)據(jù)。而傅劍平團(tuán)隊(duì)所做出的最新系統(tǒng)，則有望幫助篩查懷孕早期藥物的安全性。

此外，利用該系統(tǒng)我們還能夠深入了解一些先天缺陷的原因，例如致命的先天無腦畸形（部分大腦或頭骨沒有發(fā)育）、脊柱裂（脊髓受損，在某些情況下導(dǎo)致嚴(yán)重殘疾），以及每年有4萬名新生兒發(fā)病的先天性心臟病等。

由于該系統(tǒng)與經(jīng)過重新編程的成年細(xì)胞（以及胚胎干細(xì)胞）協(xié)同工作，也可能有助于研究不孕不育。目前，尋求生育治療的夫婦中有30%無法找到他們不能懷孕的原因。

傅劍平說：“這項(xiàng)工作提供了一個可控和可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)平臺，可以提出與人類發(fā)育和繁殖相關(guān)的重要問題。我們的發(fā)現(xiàn)表明，人類的發(fā)育與其他哺乳動物非常不同，不同的信號通路參與其中。所以這是目前唯一一種不用完整的人類胚胎來精確研究人類發(fā)育的方法?！?（摘自英國廣播公司新聞網(wǎng)）（編輯/小文）