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麻省理工科技评论-科学家成功模拟人类早期胚胎发育，为了解胚胎发育找到新的突破口，有望开发人工器官的替代品
近日，美国得克萨斯大学西南医学中心吴军教授和团队通过使用特殊培养条件，展示了在体外模拟人类早期胚胎发育的可能性，借此揭示胚胎自我组织潜能的奇妙过程。
详细来说，他们将“扩展潜能干细胞”（Expanded Potential Stem Cells）成功转化为上胚层样细胞和下胚层样细胞。
随后，这些细胞通过自我组织逐步演化为类似于真实胚胎的结构，包括双层胚阶段、三层胚阶段，直至早期器官生成阶段。所使用的实验方法简单而高效，能够清晰地展示上胚层、胚外内胚层和神经外胚层等结构。
毫无疑问，通过重现人类胚胎早期发育阶段的结构，能为了解人类胚胎发育的机理提供新的视角。
同时也解决了此前存在的问题：之前，模拟人类早期胚胎发育一直十分困难，相关研究受到技术和伦理方面的限制。而本次通过模拟并验证类胚胎模型与真实胚胎之间的相似性，成功突破了过去的限制，为深入了解胚胎发育提供了新的突破口，并为医学研究和临床应用提供了重要参考。
研究人员还表示：“该研究的成功将吸引更多研究人员投入到人类胚胎建模领域。在这一过程中，跨学科协作将发挥不可估量的作用。”
整体来看，本次成果具备
以下五种应用前景：
其一，可用于生物医学研究：本次研发的胚胎样结构模型能用于研究人类胚胎发育的关键阶段，从而助力于深入了解早期发育过程中的分子和细胞机制。通过对胚胎样结构的研究，人们可以更好地了解胚胎发育的调控和遗传机制，进而有助于革新先天性遗传缺陷的检测、预防和治疗方法。
其二，可用于药物筛选和开发：借助该成果学界可以模拟人类早期胚胎发育并研究药物在此阶段的影响。这将为药物筛选和开发提供新的模型，尤其是能助力于早期药物安全性评估和胚胎毒性研究，进而有望加速药物研发过程。
其三，可用于个性化医学：通过使用患者自身的干细胞，可以生成个性化的胚胎样结构模型，以用于研究特定患者的胚胎发育特点和潜在疾病风险。这有助于个性化医学的发展，为疾病的诊断和治疗提供更精准的方法。
其四，可用于再生医学：该成果对于以干细胞为基础的细胞治疗也具有重要指导意义，能为修复疾病或衰老导致的器官损伤提供新的治疗途径。比如利用胚胎样结构模型，可以研究和优化干细胞的分化过程，为组织修复和器官再生提供新途径。
其五，可用于器官移植和替代：借助对胚胎发育的深入理解和干细胞技术，未来有望开发出人工器官的替代品，从而通过器官再生技术来解决器官移植的问题。
据介绍，在胚胎发育领域，人类早期胚胎发育是一个极具挑战性的课题。由于伦理限制和技术困难，科学家们对于人早期胚胎发育，尤其是孕后 2-3 周内的了解非常有限。因此，利用多能性干细胞构建的胚胎模型来研究早期发育具有重大意义。
此前，尽管学界已经在这方面取得了一些进展，比如建立了人类着床前胚胎模型、以及着床后部分胚胎组织的模型。但是，着床后胚胎发育模型仍是一大技术挑战。
而对这一阶段的了解，对于研究先天性遗传缺陷以及干细胞治疗具有重要意义。针对此，该团队开展了本次研究。
定好课题之后，他们开始研究扩展潜能干细胞，并通过自组织的方式形成胚胎样结构。这样做的原因在于，扩展潜能干细胞具有产生胚胎和胚外组织的能力，并且相对容易培养增殖。
具体到实验之中，课题组需要精确控制和优化各项条件，例如细胞培养条件、培养时间、培养基成分等，以确保实验的可重复性、准确性和高效性。
之后，他们使用免疫细胞化学和单细胞 RNA 测序等技术，对所得到的数据进行解读和比较，借此获得了关键结果和结论，并将论文顺利发表在 Cell 上 [1]。
相关论文题目为《用干细胞来源的周胃泌素模拟人类发育到早期器官发生的植入后阶段》（Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids）。
美国德克萨斯大学西南医学中心助理讲师刘立中是第一作者，美国德克萨斯大学西南医学中心吴军教授担任通讯作者。
课题组表示：“事实上在着手开展这项研究之前，我们深知该领域的激烈竞争情况，这让我们对是否加入这场科研竞争心存疑虑。”
然而，在一场机缘巧合中，团队成员幸运地发现了“人扩展潜能细胞”的自我组织能力。这让他们找到了探索的起点，并看到了一个全新的研究方向，也才有了本次成果。
此外，本次成果的完成也和课题组多年的积累有关。作为团队主导人的吴军，其早年毕业于山东大学医学院，后在美国田纳西大学诺克斯维尔分校获得了生命科学博士学位，读博期间主要研究中心体的周期调控。
随后，他来到美国南加州大学接受博士后训练，期间主要研究干细胞生物学和基因组编辑。2018 年，吴军加入美国德克萨斯大学西南医学中心担任教授。
在本次 Cell 论文发表之前，他还和团队生成了 PSC 衍生的种间嵌合体，并开发了一种高效、通用的种间胚泡互补系统，以用于异种供体 PSC 的靶向器官富集。
而在本次论文的基础之上，他们将继续开展以下四方面的研究：
首先，课题组将继续优化模型。在开发扩展潜能干细胞自组织成胚胎样结构的基础上，其将借助被优化之后的模型，更好地模拟人类早期胚胎发育的器官生成阶段。通过对培养条件包括培养液营养成分、氧气浓度等进行调整，希望能进一步提高模型的稳定性、可重复性，以及实现模拟更后期的胚胎发育和器官生成。
其次，课题组将更深入地开展机制研究。在建立完善的模型之后，他们或将深入探究胚胎发育的分子和细胞机制。通过对模型中不同发育阶段的细胞进行单细胞 RNA 测序、蛋白质表达分析、以及代谢分析，了解不同细胞类型的转录组特征和信号通路，进而揭示早期胚胎发育的调控网络。
再次，课题组将着手疾病建模和药物筛选。基于本次模型可以建立新的疾病模型，模拟人类胚胎发育过程中可能出现的异常情况。通过比较正常模型和疾病模型的差异，就能深入研究疾病的发生机制，进而开展药物筛选和寻找潜在治疗方法。
最后，课题组将围绕遗传和表观遗传开展研究。在胚胎发育过程中，遗传和表观遗传因素都起着重要的作用。因此，他们将进一步研究这些因素在胚胎模型中的表达和调控，以探索其对发育过程的影响。
在实行新的研究计划之外，该团队也将增进关于伦理的讨论。近年来，类似的研究引发了关于伦理问题的讨论。胚胎建模的成功，也让学者和政策决策者面临着如何平衡科学研究和伦理原则的考量。因此，学界需要与伦理专家以及社会各界积极合作，进行深入的伦理讨论，确保研究过程的合法性和道德性。“此外，也需要及时、准确地对公众进行必要的科普，消除人们对这一新兴研究领域的不必要误解。”课题组表示。
参考资料：
1.Liu, L., Oura, S., Markham, Z., Hamilton, J. N., Skory, R. M., Li, L., ... & Wu, J. (2023). Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids.Cell.
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