王新凱
微流控芯片的特寫(xiě)照片,該芯片幫助干細(xì)胞組織成胚胎樣結(jié)構(gòu),用于研究早期人類(lèi)發(fā)育
傅劍平實(shí)驗(yàn)室研制的一套微流控裝置
2019年9月12日,《自然》雜志發(fā)表了密歇根大學(xué)傅劍平教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果,傅劍平及同事開(kāi)發(fā)了一種可以成功模擬人類(lèi)胚胎著床后關(guān)鍵過(guò)程的系統(tǒng),這是一種用于培養(yǎng)人體多能干細(xì)胞的受控環(huán)境,它可以提高合成模型系統(tǒng)的效率和可重復(fù)性。
研究人員由此開(kāi)發(fā)出來(lái)一種微流體裝置——由三個(gè)通道組成,分別用于放置細(xì)胞可嵌入的材料,裝載干細(xì)胞,以及輸運(yùn)刺激干細(xì)胞分化的因子,借此研究人員能夠控制干細(xì)胞在早期人類(lèi)胚胎中面向主要細(xì)胞譜系的分化,可以可靠地產(chǎn)生數(shù)百或數(shù)千種類(lèi)似胚胎的結(jié)構(gòu)。
由于該系統(tǒng)是在一種嚴(yán)格受控的環(huán)境下使用人體多能干細(xì)胞(PSC),這些合成的胚胎樣囊缺少生成可活胚胎的特化細(xì)胞類(lèi)型,因此也繞過(guò)了與人類(lèi)胚胎研究相關(guān)的生物倫理問(wèn)題。
研究人員表示,該成果有助于增強(qiáng)我們對(duì)人類(lèi)胚胎早期發(fā)育的理解,以及有助于母嬰健康方面重要問(wèn)題的研究,比如確定孕婦在非常早的妊娠期服用藥物是否安全,尋找導(dǎo)致某些先天缺陷和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)的因素等。
關(guān)于著床后早期胚胎發(fā)育的研究一直備受限制,包括細(xì)胞培養(yǎng)方法難以達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn),以及生物倫理指南禁止使用受精后培養(yǎng)超過(guò)14天的人類(lèi)胚胎。雖然人類(lèi)和小鼠多能干細(xì)胞(可以分化為特化的細(xì)胞類(lèi)型)一直被用于模擬著床后的胚胎發(fā)育,但是這類(lèi)系統(tǒng)在重現(xiàn)關(guān)鍵發(fā)育事件方面的成功率是有限的。
為了模擬胚胎著床后的發(fā)育階段,即羊膜囊開(kāi)始形成的時(shí)候,也是干細(xì)胞向分化成組織邁出第一步的時(shí)候,研究小組在一個(gè)可伸縮的三通道微流體系統(tǒng)中嘗試培育干細(xì)胞。中央通道包含一種模擬子宮壁的凝膠,兩側(cè)有一個(gè)通道用于為干細(xì)胞補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng),另一個(gè)通道用于遞送引導(dǎo)。
傅劍平表示,“在傳統(tǒng)的3D培養(yǎng)中,只有不到5%的干細(xì)胞簇會(huì)形成胚胎樣結(jié)構(gòu)。有了這個(gè)微流體系統(tǒng),我們可以精確地控制培養(yǎng)環(huán)境,可以達(dá)到90%以上的效率來(lái)產(chǎn)生類(lèi)似胚胎的結(jié)構(gòu)?!?/p>
加載到微流體設(shè)備中的干細(xì)胞首先生長(zhǎng)成細(xì)胞群落,并自然地形成空心球體。然后,球體鉆進(jìn)凝膠中,就像早期胚胎植入子宮壁一樣。研究人員將此階段稱(chēng)之為模擬外胚層的1號(hào)模型。
為了生成模擬羊膜囊開(kāi)始階段和外胚層后部的2號(hào)模型,研究人員將觸發(fā)球一側(cè)干細(xì)胞的化學(xué)信號(hào)加載到微流體裝置中,這些化學(xué)信號(hào)使干細(xì)胞變成羊膜囊細(xì)胞。另一側(cè)的干細(xì)胞長(zhǎng)得更高更薄,擠在一起,分化成類(lèi)似于外胚層尾部的細(xì)胞。在真正的胚胎中,這些細(xì)胞會(huì)發(fā)育成胎兒的下部身體,也包括形成變成精子和卵子的原始生殖細(xì)胞。
這個(gè)階段包括第一個(gè)模型。
而為了生成代表外胚層上端的3號(hào)模型,研究人員在微流體裝置中加入阻止未分化的外胚層細(xì)胞變成后胚層細(xì)胞的信號(hào)分子,在實(shí)際的胚胎中,這些細(xì)胞會(huì)繼續(xù)形成胎兒的上部,包括頭部和中部。
胚狀體2號(hào)模型和3號(hào)模型,包含了存在于實(shí)際胚胎中的部分外胚層細(xì)胞,后部模型不包含前部細(xì)胞,反之亦然。
研究人員認(rèn)為,模仿胚胎的干細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以幫助填補(bǔ)人類(lèi)早期發(fā)育知識(shí)的關(guān)鍵空白,這可能會(huì)帶來(lái)諸多好處。
“這項(xiàng)研究可以為我們打開(kāi)一扇窗,讓我們了解懷孕后兩到四周這段關(guān)鍵但難以觀察到的時(shí)期。這是一個(gè)流產(chǎn)多發(fā)和嚴(yán)重先天缺陷開(kāi)始形成的時(shí)期,一些晚發(fā)性疾病也被發(fā)現(xiàn)和早期發(fā)育之間有聯(lián)系。如果我們要制定預(yù)防措施,我們就需要更好地理解這些過(guò)程?!备祫ζ秸f(shuō)道。
我們對(duì)藥物如何影響胚胎發(fā)育缺乏了解,這是一個(gè)嚴(yán)重的公共健康問(wèn)題。但是目前關(guān)于人類(lèi)發(fā)育最準(zhǔn)確的見(jiàn)解,來(lái)自于對(duì)大型動(dòng)物或完整人類(lèi)胚胎的有限研究,因此也不可能在足夠大的范圍內(nèi)進(jìn)行化學(xué)和藥物篩選等應(yīng)用。
美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心(Centers for Disease Control and Prevention)援引的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),在孕婦懷孕前三個(gè)月使用的54種最常見(jiàn)的藥物中,63%的藥物的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)“非常有限”,只有4%擁有“優(yōu)秀”的數(shù)據(jù)。而傅劍平團(tuán)隊(duì)所做出的最新系統(tǒng),則有望幫助篩查懷孕早期藥物的安全性。
此外,利用該系統(tǒng)我們還能夠深入了解一些先天缺陷的原因,例如致命的先天無(wú)腦畸形(部分大腦或頭骨沒(méi)有發(fā)育)、脊柱裂(脊髓受損,在某些情況下導(dǎo)致嚴(yán)重殘疾),以及每年有4萬(wàn)名新生兒發(fā)病的先天性心臟病等。
由于該系統(tǒng)與經(jīng)過(guò)重新編程的成年細(xì)胞(以及胚胎干細(xì)胞)協(xié)同工作,也可能有助于研究不孕不育。目前,尋求生育治療的夫婦中有30%無(wú)法找到他們不能懷孕的原因。
傅劍平說(shuō):“這項(xiàng)工作提供了一個(gè)可控和可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以提出與人類(lèi)發(fā)育和繁殖相關(guān)的重要問(wèn)題。我們的發(fā)現(xiàn)表明,人類(lèi)的發(fā)育與其他哺乳動(dòng)物非常不同,不同的信號(hào)通路參與其中。所以這是目前唯一一種不用完整的人類(lèi)胚胎來(lái)精確研究人類(lèi)發(fā)育的方法。” (摘自英國(guó)廣播公司新聞網(wǎng))(編輯/小文)