在体外由多能干细胞生成正确分化的胚胎结构一直是一项挑战。弗吉尼亚大学的研究人员近日通过经实验设计的形态发生素（morphogen）信号中心发出的小鼠胚胎干细胞聚集指令，诱导生成了一个小鼠胚胎样实体（胚状体），这有望成为体外研究和疾病建模的强大工具。

 

这篇题为“Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre”的文章于6月2日发表在《Nature Communications》杂志上。

 

近年来，科学家在体外复制哺乳动物胚胎发育方面做了大量的工作。他们利用干细胞生成了类器官，能够模拟真实器官的显微结构。为实现更高程度的组织化，器官需要具有血管并受神经支配，并且包含来自三个胚层的各种细胞和组织类型。以往的研究取得了很大突破，但在体外只能实现部分发育。

 

为此，弗吉尼亚大学细胞生物学教授Christine Thisse领导的研究团队试图通过在小鼠胚胎干细胞聚集体中设计一个局部的形态发生素信号中心来实现广泛的胚胎发育。在小鼠胚胎中，原肠胚的初始结构是由三种信号分子相互作用产生的：形态发生素BMP4、NODAL和WNT。

 

于是，研究人员在小鼠ESC聚集体中设计了分泌WNT3和NODAL的信号中心（图1）。他们生成了两个不同大小的聚集体（50和100个细胞）。在培养3天后，将小的聚集体与小鼠BMP4蛋白放在一起孵育8小时，诱导WNT3和NODAL的表达。然后，将这些经过处理的小聚集体放在培养板中，与未经过处理的大聚集体接触。1小时后，它们自发融合形成更大的结构，称为胚状体（embryoid）。

图1. 产生胚状体的实验策略

 

通过原位杂交等分析，他们发现胚状体显示出原肠胚形成的明确证据，其中涉及到的中胚层细胞运动与从小鼠胚胎中观察到的相似。免疫标记、细胞追踪和转录组学分析表明，这些胚状体通过原肠胚形成过程形成三个胚层，且它们表现出广泛的发育结构，与神经胚期小鼠胚胎高度相似。

 

之后，研究人员又观察到三个胚层衍生物的形成。在腹侧，胚状体分化出一个原始的肠管，它在前后端和背腹侧都有序形成。在脊索中胚层的外侧，胚状体显示出体节和中间中胚层，前端形成跳动的心脏组织，并形成脉管系统网络。总之，这组数据表明胚状体中存在各种中胚层细胞群。

 

最后，他们还鉴定了分化为神经板状结构的外胚层。胚状体的背侧神经板显示出类似于小鼠胚胎神经上皮的组织学性质，并折叠和闭合形成神经管，从后中脑到尾部尖端前后排列（图2）。这些结果表明，在相当于小鼠胚胎的神经胚期，胚状体呈现出神经板/管状结构，具有前后轴（AP）和背腹轴（DV），显示出典型的哺乳动物神经板/神经管的组织学特征。（本研究中GFP标记的129胚胎干细胞由赛业OriCell®提供。）

图2. 胚状体的外胚层衍生物

 

大量细胞和单细胞转录组学分析也证实了他们观察到的结果，即胚状体沿着前后轴和背腹轴经历了三个胚层的图式形成。此外，scRNA-seq分析结果表明，胚状体以类似小鼠胚胎的时空方式执行发育程序。

 

总而言之，这种新型的胚状体模型显示人们在体外复制哺乳动物胚胎发育方面取得了重大进展。它能够发育成沿着前后轴正确排列的三个胚层，允许不同区域从周围组织中接收信号或发送信号。这种模型有望应用于疾病建模和药物筛选。

 

原文检索：

Xu, PF., Borges, R.M., Fillatre, J. et al.Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre.Nat Commun 12,3277 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23653-4

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