研究者在胚胎发育的早期阶段，即胚胎从中空球体重组为多层结构的胚胎化过程（gastrulation），遇到了一项挑战。由于生物伦理的关注，人类胚胎通常不会培养超过14天，然而胚胎化过程却发生在受精后的17至21天。此外，现有模拟胚胎化过程的干细胞模型未能包含形成卵黄囊和胎盘的必要的附加胚胎组织。但是，现在，研究者在《细胞》杂志的一篇文章中报道了一种新方法，成功生成了包含先前模型中缺失的卵黄囊的胚胎样结构，即“围胚胎化囊胚”（peri-gastruloid）。
"虽然我们已经从初期人类多能干细胞（primed human pluripotent stem cell）中开发出非一体化的人类胚胎化和早期器官形成模型，但这些模型缺乏在胚胎排列和形态生成中发挥重要作用的附加胚胎细胞，" 文章的通讯作者，来自德克萨斯大学西南医学中心的干细胞生物学家吴俊（Jun Wu）博士说道。"胚胎和附加胚胎组织的同时存在，使得研究者可以研究在胚胎化过程中胚盘（epiblast）、羊膜（amnion）和卵黄囊之间的相互作用，这是我们以前无法在人类中实现的。”
研究者使用了扩增的多能干细胞（expanded pluripotent stem cell, EPSC）的方法，而不是更常用的初期多能干细胞。这些细胞已经被证明能在小鼠中分化为胚胎和附加胚胎组织。通过给人类的EPSC添加适当的生长因子，他们分化出这两种类型的组织。然后，这些细胞自我组织成类似人类胚胎的结构，研究者将这些结构称为“围胚胎化囊胚”。
附加胚胎组织释放出指导胚胎发育的化学信号，这使得这些围胚胎化囊胚能够模拟被认为是胚胎发育黑箱期的几个重要过程。围胚胎化囊胚发育出胚胎生活的羊水腔，和为胚胎提供血液供应的卵黄囊腔。此外，围胚胎化囊胚表现出早期的器官生成迹象，例如神经管形成，这标志着中枢神经系统发育的开始。
研究团队报告称他们的方法高效且可重复。在他们所认为的小规模试验中，他们成功生成了数百个围胚胎化囊胚。"这个模型的力量源于其利用人类EPSC的显著自我组织能力，而几乎不需要外部干预，" 吴博士说。
团队指出，由于排除了生成胎盘的滋养层细胞（trophoblast），围胚胎化囊胚是无法存活的，这有助于缓解这项研究的伦理问题。这个项目遵循了国际干细胞研究的准则，并得到了德克萨斯大学西南医学中心干细胞监督委员会的批准。
用干细胞衍生的原肠周围发育模拟人类发育的植入后阶段到早期器官发生摘要
已经产生了复制人类原肠胚形成的体外干细胞模型，但它们缺乏胚胎发育、形态发生和模式化所需的必需胚胎外细胞。本研究描述了一种强大而有效的方法，该方法促使人类扩展的多能干细胞自我组织成胚胎样结构，称为原肠周围结构，包括胚胎（外胚层）和胚胎外（胚层）组织。虽然原肠胚周围由于排除滋养层而无法存活，但它们概括了人类原肠胚形成周围发育的关键阶段，例如形成羊膜和卵黄囊腔，发育双层和三层胚胎盘，指定原始生殖细胞，启动原肠胚形成，以及经历早期神经形成和器官发生。单细胞RNA测序揭示了人类和非人类灵长类动物中发现的晚期人原原肠胚周围细胞和原代原代原体周围细胞类型之间的转录组相似性。这种原肠周围平台允许在原肠胚形成之外进行进一步探索，并可能有助于开发用于再生医学的人类胎儿组织。
Reference:
Lizhong Liu, Seiya Oura, Zachary Markham, James N. Hamilton, Robin M. Skory, Leijie Li, Masahiro Sakurai, Lei Wang, Carlos A. Pinzon-Arteaga, Nicolas Plachta, Gary C. Hon, Jun Wu. Modeling post-implantation stages of human development into early organogenesis with stem-cell-derived peri-gastruloids. Cell, 2023