科学家用干细胞培育出“合成”小鼠胚胎：有大脑和跳动的心脏

这些结果是10多年研究的结晶，它们可以帮助科学家理解为什么一些胚胎会失败，而另一些胚胎会继续发育成胎儿，成为健康怀孕的一部分。此外，这些结果还可用于指导修复和开发用于移植的合成人体器官。

描述这一突破的论文于8月25日发表在《自然》杂志上。这项研究是在加州理工学院生物和生物工程系Bren教授Magdalena Zernicka-Goetz的实验室进行的。Zernicka-Goetz也是剑桥大学生理学、发育和神经科学系的哺乳动物发育和干细胞生物学教授。

科学家们在开发胚胎模型的过程中没有使用精子或卵子。 相反，通过引导哺乳动物早期发育中存在的三种不同的干细胞，使它们开始相互作用，研究人员能够在实验室中模仿自然过程。科学家们能够通过诱导一组特定基因的表达，并为它们的互动建立一个独特的环境，让干细胞相互“沟通”。

随着时间的推移，干细胞自我组织成结构，通过连续的发育阶段，直到合成胚胎有了跳动的心脏和大脑的基础。它们甚至有了胚胎发育的卵黄囊，并在最初几周从那里获得营养。这是迄今为止在干细胞衍生模型中实现的最先进的发展阶段。

这项研究的一个重大进展是能够生成整个大脑，特别是前部区域，这一直是合成胚胎发展中的“圣杯”。

Zernicka-Goetz说：“这为在一个实验模型中研究神经发育机制提供了新的可能性。事实上，我们在论文中通过敲除一个已经知道对神经管的形成、神经系统的前体以及大脑和眼睛的发育至关重要的基因来证明这一原则。在没有这个基因的情况下，合成的胚胎完全显示出与携带这种突变的动物一样的大脑发育缺陷。这意味着我们可以开始将这种方法应用于大脑发育中功能未知的许多基因。”

她解释说：“我们的小鼠胚胎模型不仅发育出了大脑，而且还有一颗跳动的心脏，以及继续构成身体的所有组成部分。我们能走到这一步，实在令人难以置信。这是我们社区多年来的梦想，也是我们十年来工作的主要重点，而我们终于做到了。”

为了使人类胚胎成功发育，在将成为胚胎的组织和将胚胎与母亲相连的组织之间需要进行“对话”。在受精后的第一周，有三种类型的干细胞发育：一种最终将成为身体的组织，另外两种将支持胚胎的发育。这后两种类型中的一种，被称为胚胎外干细胞，将成为胎盘，连接胎儿和母亲，提供氧气和营养。另一种将成为卵黄囊，是胚胎生长的地方，在早期发育中从那里获得营养。

许多怀孕在这三种干细胞开始相互发送机械和化学信号时失败，这些信号告诉胚胎如何正常发育。

Zernicka-Goetz说：“这个早期阶段是怀孕中其他一切的基础。"如果它出错，怀孕就会失败。”

在过去十年中，Zernicka-Goetz的团队一直在研究这些怀孕的早期阶段，以了解为什么有些怀孕会失败，有些会成功。

Zernicka-Goetz说：“干细胞胚胎模型很重要，因为它让我们可以接触到发育中的结构，而这个阶段由于小胚胎植入母亲的子宫，通常是不被我们发现的。这种可及性使我们能够操纵基因，以了解它们在一个模型实验系统中的发育作用。”

为了指导他们的合成胚胎的发展，科学家们把代表三种组织中每一种的培养干细胞放在一起。他们让它们按照一定的比例和有利于它们生长和相互交流的环境发展，导致它们最终自我组装成一个胚胎。

研究人员发现，胚胎外细胞通过化学信号向胚胎细胞发出信号，但也通过机械方式，或通过触摸，指导胚胎的发展。

Zernicka-Goetz说：“人类生命的这段时期是如此神秘，所以能够看到它是如何在培养皿发生的--能够接触到这些单个的干细胞，了解为什么这么多怀孕失败，以及我们如何能够防止这种情况的发生--是相当特别。我们研究了当时不同类型的干细胞之间必须发生的‘对话’，我们已经表明它是如何发生的，以及它如何出错。”

虽然目前的研究是在小鼠模型中进行的，但科学家们正在为人类胚胎发育开发一个类似的模型，以了解关键过程背后的机制，否则就不可能在真实的胚胎中进行研究。

如果这些方法在未来被证明对人类干细胞是成功的，它们也可以被用来指导等待移植的病人的合成器官的开发。Zernicka-Goetz说：“世界上有许多人在等待器官移植多年。使我们的工作如此激动人心的是，从中得出的知识可以用来培育正确的合成人体器官，以拯救目前失去的生命。通过使用我们所掌握的关于如何制造成人器官的知识，应该也可以影响和治愈成人器官。”