上海科学家团队建立干细胞类胚胎模型，揭示灵长类胚胎发育“神秘时刻”

著名的发育生物学家刘易斯•沃伯特（lewis wolpert）曾指出，人一生中最重要的时刻不是结婚、出生或死亡，而是原肠胚的形成。生命最初的“形态构建”——原肠运动，是胚胎发育中最关键也最神秘的阶段之一。在此期间，着床后的囊胚细胞团经历剧烈的细胞命运分化、位置迁移与形态发生，形成内、中、外三个胚层，从而奠定胎儿所有组织器官发育分化的基础。人类孕育过程中多数早期流产与严重出生缺陷源于此阶段的异常。然而，由于该阶段体内胚胎获取困难、体外胚胎培养的技术瓶颈以及严格的“14天”伦理限制，导致领域内对于灵长类原肠运动这一“黑匣子”的发生规律及其调控机制研究尚处于起步阶段。

类胚胎模型，是指近年来利用多能干细胞在体外进行诱导和组装而获得的一类可以高度模拟正常胚胎形态发生、谱系组成和基因表达特征的胚胎结构。相较于利用正常胚胎开展研究，类胚胎模型具有方便获取、易于基因操作、伦理争议少等优势，这为深入理解和研究灵长类着床后原肠运动提供了重要契机。目前小鼠干细胞来源的类胚胎已经能在体外培养发育至早期器官发生阶段。尽管全世界各地多个研究团队尝试利用人多能干细胞开展类似研究，但尚未有研究报道利用人干细胞类胚胎模型实现原肠运动的完整模拟。已有的研究表明，干细胞多向发育潜能的高效维持和稳定培养是类胚胎模型诱导的关键。刘真研究员专注于灵长类胚胎发育、干细胞和模型构建研究。2023年，刘真研究团队针对灵长类多能干细胞发育潜能展开系统研究，与合作者首次获得高比例胚胎干细胞来源的嵌合体猴（cell, 2023）。在此基础之上，刘真研究团队与合作者成功利用猴胚胎干细胞诱导获得了猴“类囊胚”结构，并证明获得的类囊胚结构具有体外发育至早期原肠胚阶段（day 17）的发育潜能（cell stem cell，2023），但当时的研究中类囊胚体外培养发育效率较低，未能真正突破原肠运动阶段。

本研究中，研究团队首次利用干细胞类胚胎模型，完整模拟了灵长类晚期原肠运动发育过程，并体外重现原肠运动阶段的关键发育事件。研究团队首先对类囊胚的诱导流程和相关参数进行了系列改进，高效稳定诱导猴干细胞类囊胚结构。在此基础之上，通过将原先的体外培养系统从2d培养改进到3d悬浮培养，发现干细胞来源的猴类囊胚可以高效、稳健地发育至day 17早期原肠期胚胎（从之前的4%提升到40%左右），这为进一步开展胚胎培养并改进培养参数提供了可能。该体系能够连续模拟灵长类囊胚早期着床后（d11）到早期原肠胚阶段（d17）的胚胎动态发育过程，形成由上胚层（epiblast）、羊膜腔（amnion cavity）和卵黄囊腔 （yolk sac cavity）构成的灵长类早期原肠胚阶段典型双层胚盘样结构。