發布時間：2025-12-04
2025年12月3日，Nature期刊在線發表了題為《Modeling late gastrulation in stem-cell derived monkey embryo models》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心/上海腦科學與類腦研究中心劉真研究員聯合腦智卓越中心孫強研究員、西班牙龐培法布拉大學Alfonso Martinez-Arias教授和西北農林科技大學王小龍教授合作完成。該研究首次利用干細胞類胚胎模型，實現了體外模擬靈長類晚期原腸運動發育過程，并重現原腸運動階段的關鍵發育事件，為深入理解靈長類早期胚胎發育機制，及發育異常引起的早發流產和出生缺陷提供了強大的創新研究范式。
著名的發育生物學家劉易斯?沃伯特（Lewis Wolpert）曾指出，人一生中最重要的時刻不是結婚、出生或死亡，而是原腸胚的形成。生命最初的“形態構建”——原腸運動，是胚胎發育中最關鍵也最神秘的階段之一。在此期間，著床后的囊胚細胞團經歷劇烈的細胞命運分化、位置遷移與形態發生，形成內、中、外三個胚層，從而奠定胎兒所有組織器官發育分化的基礎。人類孕育過程中多數早期流產與嚴重出生缺陷源于此階段的異常。然而，由于該階段體內胚胎獲取困難、體外胚胎培養的技術瓶頸以及嚴格的“14天”倫理限制，導致領域內對于靈長類原腸運動這一“黑匣子”的發生規律及其調控機制研究尚處于起步階段。
類胚胎模型，是指近年來利用多能干細胞在體外進行誘導和組裝而獲得的一類可以高度模擬正常胚胎形態發生、譜系組成和基因表達特征的胚胎結構。相較于利用正常胚胎開展研究，類胚胎模型具有方便獲取、易于基因操作、倫理爭議少等優勢，這為深入理解和研究靈長類著床后原腸運動提供了重要契機。目前小鼠干細胞來源的類胚胎已經能在體外培養發育至早期器官發生階段。盡管全世界各地多個研究團隊嘗試利用人多能干細胞開展類似研究，但尚未有研究報道利用人干細胞類胚胎模型實現原腸運動的完整模擬。已有的研究表明，干細胞多向發育潛能的高效維持和穩定培養是類胚胎模型誘導的關鍵。劉真研究員專注于靈長類胚胎發育、干細胞和模型構建研究。2023年，劉真研究團隊針對靈長類多能干細胞發育潛能展開系統研究，與合作者首次獲得高比例胚胎干細胞來源的嵌合體猴（Cell, 2023）。在此基礎之上，劉真研究團隊與合作者成功利用猴胚胎干細胞誘導獲得了猴“類囊胚”結構，并證明獲得的類囊胚結構具有體外發育至早期原腸胚階段（Day 17）的發育潛能（Cell Stem Cell，2023），但當時的研究中類囊胚體外培養發育效率較低，未能真正突破原腸運動階段。
本研究中，研究團隊首次利用干細胞類胚胎模型，完整模擬了靈長類晚期原腸運動發育過程，并體外重現原腸運動階段的關鍵發育事件。研究團隊首先對類囊胚的誘導流程和相關參數進行了系列改進，高效穩定誘導猴干細胞類囊胚結構。在此基礎之上，通過將原先的體外培養系統從2D培養改進到3D懸浮培養，發現干細胞來源的猴類囊胚可以高效、穩健地發育至Day 17早期原腸期胚胎（從之前的4%提升到40%左右），這為進一步開展胚胎培養并改進培養參數提供了可能。該體系能夠連續模擬靈長類囊胚早期著床后（D11）到早期原腸胚階段（D17）的胚胎動態發育過程，形成由上胚層（Epiblast）、羊膜腔（Amnion cavity）和卵黃囊腔 （Yolk sac cavity）構成的靈長類早期原腸胚階段典型雙層胚盤樣結構。
研究團隊測試了不同培養條件促進Day17猴干細胞類胚胎進一步發育的效果，發現在特定時間加入梯度濃度胎牛血清可以促進胚盤進一步發育至Day25，同時保持胚盤結構的清晰和持續發育，包括Day20時期的顯著的胚盤拉長和Day23時期的胚盤彎曲等典型的形態變化過程（圖1a-c），類似天然胚胎的卡內基第8-9階段（CS8-9），即原腸運動的晚期及早期器官發生的起點。通過進一步的組織形態學和單細胞轉錄組特征鑒定，這些體外培養的“猴類胚胎”在形態和細胞組成上，與相應發育階段的天然猴胚胎高度相似（圖1d）。它們不僅能模擬靈長類早期原腸胚期間前后軸、原條、羊膜腔和卵黃囊腔等典型結構的形態發生，更重現了原腸運動后期的多個關鍵發育事件，包括神經板（Neural plate, NP）的形成和早期神經褶樣結構（Neural groove, NG）的出現（圖1e-f），揭示了靈長類大腦和神經系統發育的最初“藍圖”；新生中胚層（Nas.Meso）、側板中胚層（Lateral plate mesoderm）以及心臟中胚層（Cardi.Meso）等高級中胚層譜系的分化和早期卵黃囊造血系統的發育。猴類胚胎在卵黃囊樣結構中啟動了原始造血，產生了包括內皮細胞、造血祖細胞以及紅細胞在內的多種血液細胞；定型內胚層（Definitive endoderm, DE）的分化，形成了前腸 （Foregut）和后腸 (Hindgut) 的原始結構，以及尿囊等，為消化、呼吸等多種器官的發育奠定了基礎；成功特化了原始生殖樣細胞（Primordial germ cell-like cells, PGCLCs），并追蹤了其從羊膜向胚胎后部遷移的路徑，高度模擬靈長類PGC細胞體內動態發育的過程。全面的單細胞轉錄組測序分析證實，這些類胚胎內部的細胞類型、基因表達譜以及細胞分化路徑，與同期的自然胚胎高度吻合（圖1g-h），從分子層面證明了該模型的可靠性。
為進一步驗證該模型的實用性和可靠性，研究團隊利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，構建了TBXT和EOMES基因敲除的猴類胚胎模型。這兩個基因是啟動原腸運動的關鍵調控因子。研究人員發現TBXT敲除導致類胚胎的胚盤縮短、體軸發育紊亂，中胚層和內胚層分化嚴重受損，這與其在小鼠中的功能保守，并首次在靈長類模型中揭示了其作用機制。EOMES敲除則嚴重影響了類囊胚的形成，揭示了說明其在靈長類滋養層發育中的發揮關鍵作用。基于猴類胚胎模型構建的CRISPR基因擾動系統，突破了傳統模式生物研究的局限性，為體外系統性地解析靈長類胚胎發育尤其是原腸運動時期的關鍵調控基因和譜系分化規律提供了重要研究平臺范式。
該工作創建了首個在體外完整模擬靈長類原腸運動至早期器官發生的干細胞類胚胎模型，它涵蓋了從囊胚到原腸運動完成中的的多個重要事件。未來，該模型可以直觀地“看到”靈長類生命早期構建的過程，并深入解析其譜系發生規律和背后的調控機制，此外，也提供了一個可以進行遺傳操作和高效篩選的強大工具，用以研究發育疾病的根源并進行相關藥物的胚胎安全性測試。文章在線后，同期Nature以“靈長類胚胎模型的一次飛躍”為題發表對研究的評論文章，指出該模型高度復刻了靈長類胚胎前三周的關鍵發育事件，首次提供了一個能連續觀察受孕后大約6到22天的早期靈長類發育過程的胚胎模型，使得體外按順序分析靈長類早期胚胎發生的動態復雜過程成為可能。
腦智卓越中心/上海腦科學與類腦研究中心劉真研究員、腦智卓越中心李杰副研究員、孫強研究員，西班牙龐培法布拉大學Alfonso Martinez-Arias教授和西北農林科技大學王小龍教授為該論文共同通訊作者。腦智卓越中心副研究員李杰（女）、博士后李杰（男）、博士生曹靜（與西北農林科技大學聯合培養）、尚申申（與上?？萍即髮W和臨港實驗室聯合培養）為該論文共同第一作者。腦智卓越中心張連升博士、研究生高菲、傅吉強博士、陳紅玉博士、光原創新科技有限公司吳昊源、廣州實驗室崔桂忠研究員等為本研究提供了重要幫助。本研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和上海尚思自然科學研究院的資助。
圖1. (a) 猴類胚胎發育至第25天（D25）的三維懸浮培養系統示意圖。(b) D17至D25猴類胚胎明場圖。(c) D17至D25期間猴類胚胎發育效率統計。(d) E18和E19階段天然猴胚胎（上）及D18、D19猴類胚胎（下）的對比。(e) 猴類胚胎在第22天（D22）和第25天（D25）的H&E染色圖像。(f) D17-D25階段猴類胚胎的3D重構圖。(g) UMAP展示猴類胚胎所有細胞類型的分布。(h)猴類胚胎與CS8-9階段天然猴胚胎的單細胞整合分析。
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