這些結(jié)果是10多年研究的結(jié)晶，它們可以幫助科學(xué)家理解為什么一些胚胎會(huì)失敗，而另一些胚胎會(huì)繼續(xù)發(fā)育成胎兒，成為健康懷孕的一部分。此外，這些結(jié)果還可用于指導(dǎo)修復(fù)和開發(fā)用于移植的合成人體器官。

(相關(guān)資料圖)

描述這一突破的論文于8月25日發(fā)表在《自然》雜志上。這項(xiàng)研究是在加州理工學(xué)院生物和生物工程系Bren教授Magdalena Zernicka-Goetz的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。Zernicka-Goetz也是劍橋大學(xué)生理學(xué)、發(fā)育和神經(jīng)科學(xué)系的哺乳動(dòng)物發(fā)育和干細(xì)胞生物學(xué)教授。

科學(xué)家們?cè)陂_發(fā)胚胎模型的過程中沒有使用精子或卵子。 相反，通過引導(dǎo)哺乳動(dòng)物早期發(fā)育中存在的三種不同的干細(xì)胞，使它們開始相互作用，研究人員能夠在實(shí)驗(yàn)室中模仿自然過程。科學(xué)家們能夠通過誘導(dǎo)一組特定基因的表達(dá)，并為它們的互動(dòng)建立一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境，讓干細(xì)胞相互“溝通”。

隨著時(shí)間的推移，干細(xì)胞自我組織成結(jié)構(gòu)，通過連續(xù)的發(fā)育階段，直到合成胚胎有了跳動(dòng)的心臟和大腦的基礎(chǔ)。它們甚至有了胚胎發(fā)育的卵黃囊，并在最初幾周從那里獲得營(yíng)養(yǎng)。這是迄今為止在干細(xì)胞衍生模型中實(shí)現(xiàn)的最先進(jìn)的發(fā)展階段。

這項(xiàng)研究的一個(gè)重大進(jìn)展是能夠生成整個(gè)大腦，特別是前部區(qū)域，這一直是合成胚胎發(fā)展中的“圣杯”。

Zernicka-Goetz說：“這為在一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭醒芯可窠?jīng)發(fā)育機(jī)制提供了新的可能性。事實(shí)上，我們?cè)谡撐闹型ㄟ^敲除一個(gè)已經(jīng)知道對(duì)神經(jīng)管的形成、神經(jīng)系統(tǒng)的前體以及大腦和眼睛的發(fā)育至關(guān)重要的基因來證明這一原則。在沒有這個(gè)基因的情況下，合成的胚胎完全顯示出與攜帶這種突變的動(dòng)物一樣的大腦發(fā)育缺陷。這意味著我們可以開始將這種方法應(yīng)用于大腦發(fā)育中功能未知的許多基因。”

她解釋說：“我們的小鼠胚胎模型不僅發(fā)育出了大腦，而且還有一顆跳動(dòng)的心臟，以及繼續(xù)構(gòu)成身體的所有組成部分。我們能走到這一步，實(shí)在令人難以置信。這是我們社區(qū)多年來的夢(mèng)想，也是我們十年來工作的主要重點(diǎn)，而我們終于做到了。”

為了使人類胚胎成功發(fā)育，在將成為胚胎的組織和將胚胎與母親相連的組織之間需要進(jìn)行“對(duì)話”。在受精后的第一周，有三種類型的干細(xì)胞發(fā)育：一種最終將成為身體的組織，另外兩種將支持胚胎的發(fā)育。這后兩種類型中的一種，被稱為胚胎外干細(xì)胞，將成為胎盤，連接胎兒和母親，提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)。另一種將成為卵黃囊，是胚胎生長(zhǎng)的地方，在早期發(fā)育中從那里獲得營(yíng)養(yǎng)。

許多懷孕在這三種干細(xì)胞開始相互發(fā)送機(jī)械和化學(xué)信號(hào)時(shí)失敗，這些信號(hào)告訴胚胎如何正常發(fā)育。

Zernicka-Goetz說：“這個(gè)早期階段是懷孕中其他一切的基礎(chǔ)。"如果它出錯(cuò)，懷孕就會(huì)失敗。”

在過去十年中，Zernicka-Goetz的團(tuán)隊(duì)一直在研究這些懷孕的早期階段，以了解為什么有些懷孕會(huì)失敗，有些會(huì)成功。

Zernicka-Goetz說：“干細(xì)胞胚胎模型很重要，因?yàn)樗屛覀兛梢越佑|到發(fā)育中的結(jié)構(gòu)，而這個(gè)階段由于小胚胎植入母親的子宮，通常是不被我們發(fā)現(xiàn)的。這種可及性使我們能夠操縱基因，以了解它們?cè)谝粋€(gè)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的發(fā)育作用。”

為了指導(dǎo)他們的合成胚胎的發(fā)展，科學(xué)家們把代表三種組織中每一種的培養(yǎng)干細(xì)胞放在一起。他們讓它們按照一定的比例和有利于它們生長(zhǎng)和相互交流的環(huán)境發(fā)展，導(dǎo)致它們最終自我組裝成一個(gè)胚胎。

研究人員發(fā)現(xiàn)，胚胎外細(xì)胞通過化學(xué)信號(hào)向胚胎細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，但也通過機(jī)械方式，或通過觸摸，指導(dǎo)胚胎的發(fā)展。

Zernicka-Goetz說：“人類生命的這段時(shí)期是如此神秘，所以能夠看到它是如何在培養(yǎng)皿發(fā)生的--能夠接觸到這些單個(gè)的干細(xì)胞，了解為什么這么多懷孕失敗，以及我們?nèi)绾文軌蚍乐惯@種情況的發(fā)生--是相當(dāng)特別。我們研究了當(dāng)時(shí)不同類型的干細(xì)胞之間必須發(fā)生的‘對(duì)話’，我們已經(jīng)表明它是如何發(fā)生的，以及它如何出錯(cuò)。”

雖然目前的研究是在小鼠模型中進(jìn)行的，但科學(xué)家們正在為人類胚胎發(fā)育開發(fā)一個(gè)類似的模型，以了解關(guān)鍵過程背后的機(jī)制，否則就不可能在真實(shí)的胚胎中進(jìn)行研究。

如果這些方法在未來被證明對(duì)人類干細(xì)胞是成功的，它們也可以被用來指導(dǎo)等待移植的病人的合成器官的開發(fā)。Zernicka-Goetz說：“世界上有許多人在等待器官移植多年。使我們的工作如此激動(dòng)人心的是，從中得出的知識(shí)可以用來培育正確的合成人體器官，以拯救目前失去的生命。通過使用我們所掌握的關(guān)于如何制造成人器官的知識(shí)，應(yīng)該也可以影響和治愈成人器官。”