最先进的胚胎模型模仿人类发育的前两周

最先进的胚胎模型模仿人类发育的前两周

时间戳记：12年2023月3日下午00:XNUMX
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忘记精子与卵子的相遇。

利用人类干细胞，科学家们在培养皿内创造了类似人类胚胎的结构。 这些实验室培养的斑点在植入子宫（生育的一个重要里程碑）后会形成多种模仿人类胚胎的结构，并持续至少 14 天。

十年前，在没有生殖细胞的情况下制造类似胚胎的结构或胚状体似乎是荒谬的。 但随着科学家们越来越多地绘制出人类受孕的复杂分子历程，消除精子和卵子以窥视早期人类发育的“黑匣子”变得可能。

这听起来仍然像弗兰肯斯坦实验。 但这种努力并不是令人毛骨悚然的科学好奇心。 人们对人类怀孕的最初几周知之甚少，因为此时发育最容易出现问题。 研究模仿这些早期阶段的模型——没有生物样本的争议——可以帮助那些努力怀孕的夫妇，并揭示早期妊娠失败的奥秘。

一项新的研究发表在 自然 来自胚胎体资深人士雅各布·汉纳 (Jacob Hanna) 博士的研究现在将实验室妊娠时间表向前推进。 研究小组将人类胚胎干细胞转化为模拟早期人类胚胎的胚状体。 与它们的生物对应物一样，实验室的斑点发育出了定义人类发育早期阶段的主要组织“层”。

“戏剧是在第一个月，怀孕剩下的八个月主要是大量生长，” 说过 汉娜。 “但是第一个月很大程度上仍然是一个黑匣子。 我们的干细胞衍生的人类胚胎模型提供了一种合乎道德且易于理解的方式来观察这个盒子。”

胚胎的配方

两年前，同一个团队发布了一项轰动性的结果：卵子与精子相遇并不是激发生命的必要条件，至少在老鼠身上是这样。 利用小鼠干细胞，研究小组发现了一种化学汤，可以将细胞推入培养皿内的胚胎样结构。

“胚胎是最好的器官制造机器和最好的 3D 生物打印机——我们试图模仿它的作用，” 说过 当时的汉娜.

这个想法似乎相对简单：所有胚胎细胞都有可能变成任何其他细胞类型。 但这些细胞也具有高度的社会性。 根据它们所处的环境——例如它们接收到的化学或激素信号——它们会自组织成组织。

培养胚状体依赖于汉纳实验室的两项进展。

其中一种方法将恢复的干细胞置于完全原始的状态——一种抹去任何身份的白板。 我们通常认为干细胞是一个统一的群体，但它们实际上处于一个发育范围内。 每前进一步都会引导细胞向特定的细胞类型或器官发育。 然而，原始干细胞有潜力生长成身体的任何部位。

完全重新启动幼稚干细胞使得干细胞更容易整合到宿主中——无论是否在人类体内 或老鼠.

另一项进步是一种电子控制装置，可以使胚状体沐浴在营养物质的波浪中。 就像起搏器一样，泵模拟营养物质如何冲洗子宫中的胚胎，同时控制氧气水平和大气压力。

在一个 概念验证研究，一小部分来自小鼠的细胞形成了胚胎样结构。 在大约正常妊娠期的一半之前，它们的发育与自然同类相似。 八天后，胚状体有了跳动的心脏、循环中的血细胞、具有经典褶皱的迷你大脑和消化道。

“如果你给胚胎合适的条件，它的遗传密码就会像预先设定的多米诺骨牌一样发挥作用，一个接一个地倒下，” 说过 汉娜在早些时候的采访中。 “我们的目标是重现这些条件，现在我们可以实时观看每张多米诺骨牌撞击队列中的下一张多米诺骨牌。”

近乎人类

老鼠不是人。 汉娜很清楚，新的研究弥合了这一鸿沟。

第一步？ 通过将人类干细胞恢复到原始状态来启动它。

有了这种原材料，研究小组接下来赋予细胞不同的身份，称为谱系。 其中一些发育成最终构成胚胎的细胞。 其他细胞则转变为支持细胞，例如构成胎盘或形成卵黄囊（一种小的圆形细胞）的细胞。 一心多用 支持发育中胚胎的健康。

换句话说，早期发育的人类胚胎是一个复杂的生态系统。 因此，难怪胚胎制造者长期以来一直未能让幼稚干细胞发挥多种作用。 然而，在人类早期发育的一个重要步骤——植入——发生之后，每一个谱系都变得不可或缺。 当受精胚胎附着在子宫壁上时，它会引发一系列对于进一步发育至关重要的变化。 这也是胚胎丢失经常发生的时候。

这项新研究着眼于植入后阶段，重新利用该团队之前的小鼠胚胎方案来生成自组织的人类胚胎。 令人惊讶的是，它更简单。

研究小组表示，他们必须对小鼠干细胞进行基因改造，以将它们推向不同的谱系。 对于人类细胞，他们只需调整营养浴（不需要额外的基因）即可激活干细胞中的遗传程序，将它们转变为所有三种类型的支持组织。

随着胚状体的成熟，研究小组使用了一系列分子和遗传工具来检查它们的保真度。 总体而言，这些结构类似于受精后 3 至 7 天自然发育的人类胚胎的 14D 结构。 有些细胞甚至会分泌出人绒毛膜促性腺激素（hCG），这是一种用于家庭妊娠测试的激素。 将细胞分泌物涂抹在棒上可得到双线阳性结果。

研究小组表示，总体而言，类胚显示了早期植入胚胎的关键发育标志，无需受精或与母亲子宫相互作用。

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胚胎种族

汉纳的团队并不是唯一推动胚胎发育的团队。

今年六月 二 其他球队 植入后模仿人类胚胎的工程胚胎。 配方和成分与汉娜的不同。 例如，一项研究插入了一系列强大的遗传因子，推动干细胞成为支持组织。

科学家们对于哪种胚状体最类似于其天然对应物还没有达成一致意见。 然而，他们确实在一个方面达成了共识：在适当的条件下，干细胞具有令人难以置信的自组织能力，形成日益复杂的胚胎样结构。

目前，14天的胚状体被誉为“最先进的“ 然而。

在许多国家，十四天是自然人类胚胎研究的严格截止时间，因为它们不能在实验室中进一步培养。 然而，胚状体不符合胚胎的定义，并且不受 14 天的限制。 换句话说，人类胚胎可以沿着发育时间线进一步培养。 之前的研究表明，在小鼠身上这在技术上是可行的，干细胞可以发育出半功能性器官。

如果您感到有点害怕——您并不孤单。 在一场打开人类早期发育黑匣子的军备竞赛中，胚胎正在发育到越来越晚的阶段。 目前，由人类胚胎干细胞培育出的胚状体必须遵守现行法规。 然而，由诱导干细胞制成的产品（通常使用恢复成干细胞样状态的皮肤细胞）不受任何规则的约束。

需要明确的是，胚胎不具备完全发育成人类的能力。 然而，一个 最近的一项研究 在猴子身上进行的实验表明，当它们被移植到子宫中时可以诱导怀孕——尽管在这种情况下，胚状体会迅速自然地终止。 关于是否以及如何调节这些细胞团的争论仍在继续。

目前，汉纳的团队正专注于修改他们的配方以提高效率。 但作为一个长期目标，他们希望进一步推动胚状体，看看它们是否能够发育出基本的器官。 他们说，这些实验“将提供对早期人类发展以前无法进入的窗口的见解”。

图片来源： 魏茨曼科学研究所

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