近日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心等首次利用干細(xì)胞胚胎模型，實(shí)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類晚期原腸胚發(fā)育過(guò)程的體外完整模擬，為剖析靈長(zhǎng)類早期胚胎發(fā)育機(jī)制，以及發(fā)育異常引起的早發(fā)流產(chǎn)和出生缺陷提供了新研究范式。

▲利用干細(xì)胞類胚胎實(shí)現(xiàn)靈長(zhǎng)類原腸運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程體外模擬

01

構(gòu)建研究新路徑

類胚胎模型通過(guò)多能干細(xì)胞體外誘導(dǎo)模擬胚胎發(fā)育的結(jié)構(gòu)，為原腸運(yùn)動(dòng)研究提供新路徑。

此前，研究團(tuán)隊(duì)利用猴胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)獲得猴類囊胚結(jié)構(gòu)并證明該類囊胚具有體外發(fā)育至早期原腸胚階段的發(fā)育潛能，但類囊胚體外培養(yǎng)發(fā)育效率仍需提升。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立3D懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了干細(xì)胞來(lái)源的猴類囊胚高效穩(wěn)健發(fā)育至第17天的早期原腸期階段。該體系能夠連續(xù)模擬靈長(zhǎng)類囊胚早期著床后到早期原腸胚階段的胚胎動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，形成由上胚層、羊膜腔和卵黃囊腔構(gòu)成的靈長(zhǎng)類早期原腸胚階段典型雙層胚盤樣結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在特定時(shí)間加入梯度濃度胎牛血清可促進(jìn)第17天的猴干細(xì)胞類胚胎發(fā)育至第25天，并保持胚盤結(jié)構(gòu)清晰性和發(fā)育持續(xù)性，包括第20天的胚盤拉長(zhǎng)和第23天的胚盤彎曲等形態(tài)變化，與靈長(zhǎng)類體內(nèi)原腸運(yùn)動(dòng)的晚期及早期器官發(fā)生起點(diǎn)的特征吻合。

02

鑒定模型可靠性

組織形態(tài)學(xué)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組特征鑒定，體外培養(yǎng)的“猴類胚胎”在形態(tài)和細(xì)胞組成上，與相應(yīng)發(fā)育階段的天然猴胚胎高度相似，能夠模擬靈長(zhǎng)類早期原腸胚期間前后軸、原條、羊膜腔和卵黃囊腔等結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生，更重現(xiàn)了原腸運(yùn)動(dòng)后期的多個(gè)關(guān)鍵發(fā)育事件，如神經(jīng)板和神經(jīng)溝的形成，揭示了靈長(zhǎng)類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的最初“藍(lán)圖”。

同時(shí)，側(cè)板中胚層和心臟中胚層等高級(jí)中胚層譜系分化，并啟動(dòng)卵黃囊原始造血，產(chǎn)生多種血液細(xì)胞；定型內(nèi)胚層的分化，形成了前腸和后腸的原始結(jié)構(gòu)，為消化、呼吸等多種器官的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)；通過(guò)特化原始生殖樣細(xì)胞，高度模擬靈長(zhǎng)類PGC細(xì)胞體內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程。

03

提供基因功能研究平臺(tái)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的實(shí)用性和可靠性，團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，構(gòu)建出TBXT和EOMES基因敲除的猴類胚胎模型。這兩個(gè)基因是啟動(dòng)原腸運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵調(diào)控因子。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，TBXT敲除導(dǎo)致類胚胎的胚盤縮短、體軸發(fā)育紊亂，中胚層和內(nèi)胚層分化嚴(yán)重受損，這與其在小鼠中的功能保守性一致，并首次在靈長(zhǎng)類模型中揭示了其作用機(jī)制。EOMES敲除影響類囊胚形成，說(shuō)明其在靈長(zhǎng)類滋養(yǎng)層發(fā)育中的發(fā)揮關(guān)鍵作用。

這一工作創(chuàng)建了首個(gè)在體外完整模擬靈長(zhǎng)類原腸運(yùn)動(dòng)至早期器官發(fā)生的干細(xì)胞類胚胎模型，涵蓋從囊胚到原腸運(yùn)動(dòng)完成中的多個(gè)重要事件。

該模型可以幫助我們直觀“看到”靈長(zhǎng)類生命早期構(gòu)建的過(guò)程，未來(lái)可用于解析靈長(zhǎng)類胚胎發(fā)育尤其是原腸運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵調(diào)控基因和譜系分化規(guī)律，并為發(fā)育疾病研究和藥物安全性測(cè)試提供研究平臺(tái)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09831-0

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心

責(zé)任編輯：侯茜