华人科学家开发突破性干细胞平台，打开人类发育“黑盒子”

9 月 12 日，Nature 杂志发表了密歇根大学傅剑平教授团队的一项最新成果，傅剑平及同事开发了一种可以成功模拟人类胚胎着床后关键过程的系统，这是一种用于培养人体多能干细胞的受控环境，它可以提高合成模型系统的效率和可重复性。

研究人员由此开发出来一种微流体装置——由三个通道组成，分别用于放置细胞可嵌入的材料，装载干细胞，以及输运刺激干细胞分化的因子，借此研究人员能够控制干细胞在早期人类胚胎中面向主要细胞谱系的分化，可以可靠地产生数百或数千种类似胚胎的结构。

图 | 微流控芯片的特写照片，该芯片帮助干细胞组织成胚胎样结构，用于研究早期人类发育（来源：Fu Lab, Michigan Engineering）

由于该系统是在一种严格受控的环境下使用人体多能干细胞（PSC），这些合成的胚胎样囊缺少生成可活胚胎的特化细胞类型，因此也绕过了与人类胚胎研究相关的生物伦理问题。

研究人员表示，该成果有助于增强我们对人类胚胎早期发育的理解，以及有助于母婴健康方面重要问题的研究，比如确定孕妇在非常早的妊娠期服用药物是否安全，寻找导致某些先天缺陷和复发性流产的因素等。

模拟胚胎早期发育

关于着床后早期胚胎发育的研究一直备受限制，包括细胞培养方法难以达到最佳标准，以及生物伦理指南禁止使用受精后培养超过 14 天的人类胚胎。

虽然人类和小鼠多能干细胞（可以分化为特化的细胞类型）一直被用于模拟着床后的胚胎发育，但是这类系统在重现关键发育事件方面的成功率是有限的。

为了模拟胚胎着床后的发育阶段，即羊膜囊开始形成的时候，也是干细胞向分化成组织迈出第一步的时候，研究小组在一个可伸缩的三通道微流体系统中尝试培育干细胞。中央通道包含一种模拟子宫壁的凝胶，两侧有一个通道用于为干细胞补充营养，另一个通道用于递送引导。

剑平表示，“在传统的 3D 培养中，只有不到 5% 的干细胞簇会形成胚胎样结构。有了这个微流体系统，我们可以精确地控制培养环境，可以达到 90% 以上的效率来产生类似胚胎的结构。”

图 | 傅剑平实验室研制的一套微流控装置（来源：Fu Lab, Michigan Engineering）

加载到微流体设备中的干细胞首先生长成细胞群落，并自然地形成空心球体。然后，球体钻进凝胶中，就像早期胚胎植入子宫壁一样。研究人员将此阶段称之为模拟外胚层的 1 号模型。

为了生成模拟羊膜囊开始阶段和外胚层后部的 2 号模型，研究人员将触发球一侧干细胞的化学信号加载到微流体装置中，这些化学信号使干细胞变成羊膜囊细胞。另一侧的干细胞长得更高更薄，挤在一起，分化成类似于外胚层尾部的细胞。在真正的胚胎中，这些细胞会发育成胎儿的下部身体，也包括形成变成精子和卵子的原始生殖细胞。
这个阶段包括第一个模型。

而为了生成代表外胚层上端的 3 号模型，研究人员在微流体装置中加入阻止未分化的外胚层细胞变成后胚层细胞的信号分子，在实际的胚胎中，这些细胞会继续形成胎儿的上部，包括头部和中部。

胚状体 2 号模型和 3 号模型，包含了存在于实际胚胎中的部分外胚层细胞，后部模型不包含前部细胞，反之亦然。

研究药物安全和不孕不育

研究人员认为，模仿胚胎的干细胞结构可以帮助填补人类早期发育知识的关键空白，这可能会带来诸多好处。

“这项研究可以为我们打开一扇窗，让我们了解怀孕后两到四周这段关键但难以观察到的时期。这是一个流产多发和严重先天缺陷开始形成的时期，一些晚发性疾病也被发现和早期发育之间有联系。如果我们要制定预防措施，我们就需要更好地理解这些过程。”傅剑平说道。

图 | 机械工程副教授傅剑平和机械工程研究员 Yi Zheng 在研究实验室开发的微流控芯片（来源：Fu Lab, Michigan Engineering）

我们对药物如何影响胚胎发育缺乏了解，这是一个严重的公共健康问题。但是目前关于人类发育最准确的见解，来自于对大型动物或完整人类胚胎的有限研究，因此也不可能在足够大的范围内进行化学和药物筛选等应用。美国疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention）援引的一项研究发现，在孕妇怀孕前三个月使用的 54 种最常见的药物中，63% 的药物的风险数据“非常有限”，只有 4% 拥有“优秀”的数据。

而傅剑平团队所做出的最新系统，则有望帮助筛查怀孕早期药物的安全性。此外，利用该系统我们还能够深入了解一些先天缺陷的原因，例如致命的先天无脑畸形（部分大脑或头骨没有发育）、脊柱裂（脊髓受损，在某些情况下导致严重残疾），以及每年有 4 万名新生儿发病的先天性心脏病等。

模拟胚胎早期发育，研究不孕不育等问题（来源：Fu Lab, Michigan Engineering）

由于该系统与经过重新编程的成年细胞（以及胚胎干细胞）协同工作，也可能有助于研究不孕不育。目前，寻求生育治疗的夫妇中有 30% 无法找到他们不能怀孕的原因。傅剑平说：“这项工作提供了一个可控和可扩展的实验平台，可以提出与人类发育和繁殖相关的重要问题。我们的发现表明，人类的发育与其他哺乳动物非常不同，不同的信号通路参与其中。所以这是目前唯一一种不用完整的人类胚胎来精确研究人类发育的方法。”

参考：
https://news.umich.edu/breakthrough-stem-cell-platform-could-shed-light-on-mysteries-of-early-human-development/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1535-2

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