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新模型构建,揭秘人围着床胚胎发育“黑匣子”

科技日报记者 赵汉斌

在人胚胎发育过程中,黑匣子围着床阶段是新模型构决定胚胎能否正常发育的关键期。

近期,建揭昆明理工大学教授李天晴、秘人副教授艾宗勇和中国科学院院士季维智带领的床胚团队,首次绘制了人围着床胚胎的黑匣子完整细胞图谱,并定义了不同细胞谱系及其互作关系,新模型构并首次利用干细胞构建了能高度模拟人围着床发育的建揭胚胎模型,并利用该模型揭示了人胚胎和胚外谱系的秘人命运决定机制。

此项研究,床胚极大地促进了人们对人围着床胚胎发育的黑匣子理解,为深入理解不孕、新模型构不育或胎儿出生缺陷并探寻相应的建揭诊疗策略奠定了重要基础,对造福人类生殖健康有重大意义。秘人著名国际期刊《细胞研究》在线发表了研究长文。床胚

人工合成胚胎的明场、染色和模式图。 昆明理工大学灵长类转化医学研究院供图

围着床期胚胎长期处于“黑匣子”状态

“由于围着床期胚胎位于母体子宫,且尺寸仅有数百微米,人们无法获得相关的材料开展研究,长期处于‘黑匣子’状态。”李天晴介绍。

人始于精卵结合形成的受精卵,受精卵经多次卵裂和卵裂球位置重排,在受精后6-7天形成囊胚。人囊胚是一个由约200个细胞组成的中空圆形结构,在胚胎第6-7天植入子宫壁,开始着床后发育。在囊胚后期,外面的滋养层细胞逐步产生胎盘,内部的内细胞团分裂为下胚层,后者产生卵黄囊,上胚层分化为三个最终胚层,最终形成胎儿产生个体。

随着囊胚在母体子宫着床,胚胎发育进入围着床阶段,上胚层和下胚层逐渐发育形成双胚盘、羊膜腔和卵黄囊的三维结构,并特化产生着床后上胚层、胚外内及中胚层、羊膜、原始生殖细胞和原条等多种细胞谱系。

据统计,临床上有60%左右的胚胎会在围着床阶段出现着床失败或妊娠丢失。“以我国为例,胎儿出生缺陷率为5.6%。着床失败、妊娠丢失和胎儿出生缺陷,与围着床胚胎的异常发育密切相关,但机制尚不清楚。一个重要的原因是人们缺乏对相关阶段胚胎发育机制的了解。”李天晴说,因此,深入解析人围着床胚胎的发育机制,有助于理解胚胎发育与疾病发生的关系,从而为着床失败或妊娠丢失造成的不孕不育及胎儿出生缺陷的诊疗,提供重要基础。

创新合成胚胎,高度模拟人着床胚胎发育

在此项研究中,在李天晴、艾宗勇和季维智院士带领下,昆明理工大学副教授艾宗勇、牛宝华博士、副教授尹宇,云南省第一人民医院副主任技师相立峰以及硕士生施高慧等人合力,首次绘制了人围着床胚胎的完整细胞图谱,定义了不同细胞谱系及其这些谱系间的互作关系。

在此基础上,为弥补使用人胚胎开展研究受到伦理、胚胎数量和技术限制的缺陷,研究人员首次利用人干细胞开发了一个新的人工合成胚胎,再现了人围着床胚胎的发育特征、三维结构和细胞谱系,高度模拟了人着床胚胎的发育。

研究团队首次系统揭示了人围着床胚胎的发育动态、谱系特征、基因信号以及关键信号通路在不同谱系命运决定过程中的功能,让人们对人围着床胚胎发育阶段有了全新的理解。此外,人工合成胚胎为进一步探索人胚胎着床后的谱系特化、信号互作和组织模式提供了一个全新的模型,也为胚胎异常发育进行药物研发和毒理测试提供了一个全新的平台。

“这项研究对理解不孕、不育或胎儿出生缺陷,以及探寻相应的诊疗策略提供了重要科学基础,也将造福人类生殖健康。”艾宗勇说。

据悉,与此同时,国际上其他四个团队也发表了人胚胎模型的工作。其中,来自英国剑桥大学、美国耶鲁大学和美国匹兹堡大学的三个团队,获得了胚胎模型缺乏典型的双胚盘、羊膜腔和卵黄囊结构;来自以色列魏茨曼科学研究所的团队,建立了胚胎模型具有典型的双胚盘、羊膜腔和卵黄囊结构,但效率极低,仅有2.9%。

相比之下,昆明理工大学团队的胚胎模型发育效率超过80%,为人早期胚胎发育、药物研发和毒理测试提供重要的研究和筛选平台。研究论文在正式发表前,在预印本上已被众多国际新闻媒体,如《纽约时报》《科学》杂志等报道超过上百次。

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