新浪科技讯 北京时间3月25日消息,科学家近日成功利用人类干细胞模拟了胚胎发育的早期阶段。

  多支研究团队各自独立地发表报告称,自己培育出了形似人类囊胚的细胞团(囊胚约于卵子受精四天后形成)。两支团队在3月17日的《自然》期刊上发表了自己的研究成果。而就在一周之前,还有两支团队也在论文预印网站bioRxiv上发布了类似的成果,但尚未经过同行评审。这些实验为我们提供了一个了解人类发育过程中关键时间点的机会,也让我们无需用人类胚胎做实验、便可更好地了解流产与不孕不育问题。

  “这是一个重要的里程碑。”密歇根大学生物工程师傅剑平指出。

多支研究团队利用人类干细胞培育出了如图所示的类人囊胚多支研究团队利用人类干细胞培育出了如图所示的类人囊胚

  科学家目前对胚胎发育早期阶段的了解部分来自于对人类胚胎的研究。但出于道德伦理考虑,这些胚胎的使用存在限制,受到严格监管。科学家指出,由于在实验室中用人类干细胞培育的囊胚与人类胚胎存在区别,因此也许可以避开人类胚胎研究受到的那些限制,从而能更多地开展这类研究工作。他们并不认为这些类似囊胚的结构有能力发育成为完整胚胎。

  研究人员此前曾在实验室中用小鼠干细胞培育出过囊胚,但小鼠的发育路径与人类不同,因此培育出的结构并不适合研究人类发育。

  而上述最新研究“成功将所有要素结合在了一起,建立起了胚胎发育最早期的模型。”加拿大多伦多儿童医院发育生物学家简妮特•洛桑特表示,“我们对这一阶段的了解相当欠缺。”

  局限

  受孕之后,囊胚会在第7或第8天时植入子宫壁,最外层细胞后续会逐渐发育为胎盘,内侧的细胞团则会发育成胚胎。

  科学家此前曾用人类胚胎干细胞观察过胚胎在第18至20天的发育情况。但新开展的这些实验则将观察时间进一步提前,在目前实验室培育出的模型中,其所处发育阶段最早。

  科学家对这一阶段的了解,部分程度上来自在实验室中对13天以内的人类胚胎的研究。有十几个国家的法律法规、以及国际干细胞研究学会(ISSCR)的指导方针都将实验室培育胚胎的时间限定在受精后14天以内。此时,囊胚已经完成移植,胚胎中开始出现“原线”,标志着细胞开始分化、变得更加多样和复杂。

  在其中一项发表在《自然》上的研究中,一支由德克萨斯大学西南医学中心与昆明医科大学组成的研究团队用一系列生长因子对人类干细胞进行了处理,使之形成人造的“类人囊胚”。他们使用的是从人类胚胎中提取的干细胞、以及由成人皮肤细胞转化而成的干细胞,二者都取得了成功。

人类囊胚会在第7或第8天时植入子宫壁人类囊胚会在第7或第8天时植入子宫壁

  在另一项研究中,澳大利亚莫纳什大学的何塞•波罗与同事们则对成人皮肤细胞进行了重新编辑,由此生成了一系列不同细胞的混合物,其中有些进一步发育形成了类人囊胚。

  “类人囊胚真的完全等同于人类胚胎吗?”美国莱斯大学干细胞生物学家阿里耶•瓦姆弗莱士提出,“肯定不是。那它是研究囊胚阶段胚胎的理想模型吗?我认为有可能。”

  两支团队培育出的人造结构都与真正的囊胚类似,中心形成了一个空腔,一角分布着一堆细胞(在真正的囊胚中,这些细胞会继续发育为胚胎组织)。他们培育的结构中还包含构成囊胚的三种标志性细胞类型。不仅如此,他们还设法让这些类人囊胚“移植”到了塑料膜上,并在进一步发育之后、达到了类似人类囊胚移植到子宫壁之后的状态。

  这套流程在傅剑平等研究人员看来十分熟悉。他曾在培育小鼠类囊胚的过程中见过类似的方法。“无论如何,这的确是至关重要的一步。”

  另外两支发表了预印论文的研究团队利用的则是多能干细胞,也取得了类似的研究成果。

  “我们希望今后能通过这套模型,进一步了解人类发育的早期阶段,以及弄清不同的基因功能和突变情况。”德克萨斯大学西南医学中心分子生物学家吴军指出。他带领了发表在《自然》期刊上的其中一项研究。

  解决方案

  不过,这些研究团队都承认,自己的方法尚有改进的余地。发表在《自然》上的两项研究都表示,在经过重新编辑或转化的细胞中,只有约10%可以发育成类人囊胚。并且两支团队都承认,他们培育出的结构中存在一些人类囊胚中一般不包含的细胞。

  “这是个不错的开端。”洛桑特这样评价道。但考虑到上述因素,“可以预见,这些研究可能不大容易复制。”

  在《自然》上发表报告的两支团队都严格遵守了14天的限制,在自己培育的结构达到人类胚胎发育两周的同等水平后,没有让它们进一步生长下去。

  不过有一些发育生物学家认为,这些人造结构与人类胚胎存在一点关键区别。科学家并不认为这些结构能够存活,主要是因为有证据显示,小鼠类囊胚在移植到小鼠子宫中之后,并未进一步发育成胚胎。

  但它们与人类囊胚的相似程度仍然引发了一些伦理问题。国际干细胞研究学会已经意识到了这一点,将于今年五月发布针对类胚胎结构研究的修订版指导方针。

  由于这些模型结构极其精细复杂,发育潜能充满了不确定性,且人们尚不知是否该将其作为真正的胚胎来对待,相关研究很难获得资金赞助。例如,美国国立卫生研究院就以迪基维克法案(该法案禁止政府赞助涉及创造或摧毁人类胚胎的研究)为由,不愿为这类研究提供资金。但研究人员提出,这些人造结构与天然人类胚胎不同,呼吁该机构对资金赞助标准进行澄清。

  去年,该机构的政策办公室在华盛顿召开了一次会议,邀请美国国家学院的顶尖研究人员参会,共同探讨该领域的关键里程碑。就在本月,美国国立卫生研究院科学政策主任凯莉•沃利内兹表示,该机构将考虑为模拟胚胎发育的干细胞模型结构研究提供赞助,不过届时还要具体案例具体分析。(叶子)


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