科学家们用干细胞模拟哺乳动物的自然发育

小老鼠的胚胎有一颗跳动的心脏。它的肌肉、血管、肠道和神经系统已经开始发育。但是这个胚胎是不寻常的：它是在实验室里用老鼠胚胎干细胞创造的，它代表了最复杂的体外(在培养皿中)的哺乳动物模型。

这一新模型是由克莉丝汀·塞斯和伯纳德·塞斯在弗吉尼亚大学医学院开发的，是科学家们利用干细胞模拟哺乳动物自然发育的重要一步。它的存在是一个奇迹，它将帮助科学家了解哺乳动物的发育，对抗疾病，创造新的药物，并最终为需要移植的人类，培育组织和器官。

我们找到了一种方法来指导干细胞聚集开始胚胎发育。作为对这一受控指令的回应，这些聚集体在一个一个接一个地重复胚胎步骤的过程中发展成胚胎状实体。令人惊奇的是，我们能够得到在真正的小鼠胚胎中存在的各种组织。

Christine Thisse，博士，弗吉尼亚大学细胞生物学系

伯纳德·塞斯博士也是细胞生物学系的一员，他指出了这一进步的重要意义：“人类器官是由多种细胞类型组成的，它们起源于生长中的胚胎的不同部位，”他说。

“例如，肠道是由形成空心管的细胞制成的，这种管子状的模型被称为肠器官。然而，这个管子不足以制造功能性肠，因为这个器官含有其他成分，比如控制肠道功能的平滑肌、血管和神经，它们是由不同来源的细胞组成的。形成功能器官所需的各种细胞的唯一途径是开发所有前体细胞都存在的系统。我们用干细胞设计的类似胚胎的实体就是这样。”

干细胞潜能

干细胞是一种特殊的细胞，可以转化为具有特定功能的其他细胞类型。例如，干细胞进入我们的心脏，我们的大脑，我们的骨骼，我们的神经。因此，科学家们一直渴望利用干细胞的潜力，将其用于推进医学研究并造福于人类病人。但是，事实证明，用多种细胞类型构建复杂的模型是非常具有挑战性的。

指挥盘子中单个细胞型的形成要比指挥管弦乐队像自然界一样发展一个有机体要容易得多。

塞斯的新模型因复杂的性能而闻名。研究人员报告，这是第一个哺乳动物胚胎的体外模型，有这么多的组织需要建立干细胞。最重要的是，这些结构按其应有的方式组织起来，围绕脊索(脊椎动物的前身)，是脊椎动物的一种决定性特征。在这个模型中，不同的细胞类型被巧妙地、正确地编织在一起，这是一个巨大的成就。

要做到这一点，这些人和他们的合作者必须克服干细胞领域中的一些最大的挑战。以前的模型没有得到正确的发展，或者没有正确的组织，或者受到其他问题的困扰。

利用他们在发育生物学方面的专门知识，并在他们以前利用鱼类胚胎细胞(2014年发表在“科学”杂志上)的工作的基础上，这些研究解决了这些问题。

根据这一模型，脊索出现并计算；消化道开始发育；心脏跳动；以及，在体外，神经系统第一次随着神经管的形成而发展。

克莉丝汀·塞斯说：“这种体外小鼠模型表明，我们能够诱导细胞在正确的步骤中执行复杂的发育程序。拥有各种各样的组织可以让我们希望科学界能够通过适当的血管化、神经支配和与其他组织的相互作用来构建器官。”

“这是至关重要的，总有一天能够在盘子里生产出功能性的人体替代器官。这将克服器官移植的不足。”

这对夫妇的新型号还不是一个完整的老鼠模型，不能发展成独立的一个。关键部位仍然缺失，比如大脑的前部。目前，胚状体的发育在小鼠胚胎的妊娠中期停止了。

研究人员真正的成就是开发出一种有效的方法来创造复杂的、类似胚胎的结构，模仿小鼠胚胎的发育。这极大地推动了他们的研究领域，使科学家们对干细胞的控制比以往任何时候都要多。

伯纳德·塞斯说：“我们目前生产的胚状体缺乏大脑前区。”“然而，通过我们开发的技术，我们应该能够在某一时刻操纵控制胚胎形成的分子信号，这将导致产生胚胎样实体，包含包括前大脑在内的所有组织和器官。”

“我们在发育生物学家的整个职业生涯中获得的知识是干细胞领域这项研究的起点，”克莉丝汀·塞斯说。“这对我们来说是一个巨大的飞跃，但它表明，如果你有一个坚实的想法，它可以用来跨越障碍，可以用于其他目的。我要说的是，对学生来说，没有什么是确定的，我们有更多的了解和解决问题的余地。”

她补充说：“观察胚胎的发育是一件了不起的事情。”“我很幸运，我的工作让我对无脊椎动物和脊椎动物胚胎的发育做出了贡献，并且利用这些原理，我们能够用干细胞作为砖块在盘子中形成胚胎。”

更多内容：Peng-Fei Xu et al, Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23653-4