本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队，原文标题：《《细胞》封面背靠背：中国科学家体外培养灵长类早期胚胎，首次进入器官发生阶段》，头图来自：unsplash
作为关乎生命起点的重要阶段，灵长类的早期胚胎发育一直是研究热点，同时也是科学界至今知之甚少，如同“黑匣子”一般的难点领域。
在灵长类妊娠期的第3~4周，胚胎发育迎来了原肠运动（gastrulation）、器官发生等里程碑事件，而这一阶段的发育异常可能导致流产与器官缺陷。因此，解析早期胚胎发育过程，对于理解早期胚胎和器官发育与疾病发生的关系、寻找孕早期流产和出生缺陷的诊断与治疗策略都有着重要意义。由于伦理限制，人类胚胎的体外培养不能超过14天，因而科学界亟需优化非人灵长类动物的胚胎发育研究平台，从而深入理解早期胚胎发育调控机制。
今天，《细胞》（Cell）期刊刊登的两篇背靠背论文，通过各自的创新性平台将非人灵长类胚胎的体外培养延长至早期器官发生阶段，重现并系统研究了这一发育阶段的多个重要事件。
在第一篇论文中，省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室/昆明理工大学灵长类转化医学研究院谭韬/陈永昌/季维智团队、中国人民解放军总医院/血液与健康全国重点实验室刘兵团队及得克萨斯州西南医学中心吴军团队合作，借助新开发的3D培养系统——优化猴子宫外培养（Enhanced Monkey Ex Utero Culture ， EMEUC），实现了食蟹猴胚胎体外25天的长时程培养。利用该平台，研究人员系统研究了原肠运动及造血等早期组织器官发生的谱系特化轨迹和分子演进规律。
原肠运动是胚胎发育过程中的重要事件，在该阶段，内、中、外三个胚层逐渐形成，为胚胎体轴建立和器官发育奠定基础。相反，原肠运动的异常则可能导致妊娠失败或出生后的器官缺陷。
2019年，谭韬/陈永昌/季维智团队与合作者就在一篇《科学》论文中，将食蟹猴胚胎的体外培养推进到受精后20天，从而在体外重现原肠运动、解析了该时期的重要事件，培养胚胎呈现出了与体内发育胚胎高度一致的形态学与基因表达特征。（更多阅读：今日《科学》：灵长类动物胚胎如何发育？科学家们有了新发现）
在最新论文中，研究团队在上述研究的基础上优化了前期食蟹猴胚胎培养系统，借助细胞外基质构建了3D培养环境，同时借助葡萄糖的加入促进胚胎体外发育，培养胚胎在形态、发育进程等与体内胚胎高度一致，大约对应体内的卡内基分期8c阶段（相当于受精后24~25天）。
▲研究构建了全新的猴体外培养系统（图片来源：参考资料[1]）
借助该平台，研究团队观察到早期胚胎发育过程的多个关键事件，包括早期神经分化、卵黄囊造血发生、早期肠形成与原始生殖细胞样细胞（PGCLC）发育等。
其中，造血发生是胚胎发育的重要过程，胚胎早期的造血发生首先就是在卵黄囊中进行的，前体细胞分化发育成初始的血细胞。这个过程包含了两个波次：第一波次主要产生初级红细胞和初级巨噬细胞，第二波次产生一类髓系祖细胞。
体外胚胎的造血谱系特化高度模拟了体内卵黄囊的两个波次造血发生。其中，研究团队捕获并识别了猴第一波次造血的关键前体细胞。这些细胞在以往的人多能干细胞体外分化体系中并不能得到很好的重现，而最新研究首次在非人灵长类胚胎中对其进行了精确识别和系统解析。对于第二波次，最新平台相比于人多能干细胞体外分化体系同样具有优势：体外培养的猴胚能够产生更接近人体内第二波次造血的生血内皮细胞，表明该体系有望成为更合适的灵长类早期造血研究模型。
研究团队观察到的另一个现象是内胚层的特化。正如前文介绍，胚胎在早期胚胎发育中形成外、中、内三个胚层，其中内胚层主要发育成消化和呼吸器官。研究团队在体外培养猴胚胎中发现了早期肠（primitive gut）的形成，其与体内猴胚胎及人胚胎肠亚群高度一致。进一步的研究揭示了分别与前肠和后肠形成相关的信号通路，并提出内脏内胚层细胞参与了前、后肠发育过程。
▲新平台将猴胚胎的体外培养延长至受精后25天，从而进入早期器官发生阶段（图片来源：参考资料[1]）
此外，最新研究揭示了原始生殖细胞样细胞向卵黄囊迁移的现象，以及代谢模式的转变。作者还系统揭示了食蟹猴早期胚胎发育中的X染色体剂量补偿调控过程。
综上，研究者们开发了一种能够支持食蟹猴胚胎体外发育至早期器官发生的3D培养体系，并系统研究了非人灵长类从原肠胚形成到早期器官发生过程的重要细胞组成及谱系分化轨迹，研究结果将有助于了解人类胚胎发育畸形及孕早期流产的病因。
在同期《细胞》期刊的另一篇论文中，中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院王红梅/郭帆/李伟团队与宾夕法尼亚大学再生医学研究所Nicolas Plachta团队合作，开发了全新的3D延长体外培养（prolonged in vitro culture， pIVC）系统，同样将食蟹猴胚胎的体外培养延长至受精后25天，从而对晚期原肠运动和神经胚形成早期阶段建立全新的理解。
在人类胚胎发育中，神经胚形成过程开始于受精后15~17天，该过程的异常可导致神经管缺陷。神经管构成了神经系统的基础——其前端发育为脑，后部发育为脊髓，神经管缺陷是一种严重的畸形疾病，也是全球范围内最常见的新生儿缺陷。然而，科学界对灵长类神经胚形成机制的认识相当有限。
在这项最新研究中，作者揭示了早期神经胚形成的重要特征。神经管是由两侧的神经沟逐渐闭合而成。借助pIVC系统，研究团队确认，体外胚胎重现了其中的多个关键过程，包括神经嵴形成与特化、神经管闭合、神经前体细胞的区域化、神经前体细胞分化形成神经元的过程等。
此外，研究还通过单细胞多组学分析，证实了体外培养的胚胎形成了内、中、外三个胚层，包括原始生殖细胞，并且建立了晚期原肠运动阶段的DNA甲基化和染色质可及性特征。
▲研究示意图（图片来源：参考资料[2]）
综上，该研究在已有体内研究的基础上进一步填补了灵长类胚胎中晚期原肠运动至早期器官发育阶段的领域空白，为灵长类胚胎体外培养和基于干细胞构建的“类胚胎”的体外培养提供了参考体系，为深入了解人类早期胚胎发育机制，以及早期胚胎发育异常相关疾病的病理研究提供了技术平台。
第一篇论文题为“Ex utero monkey embryogenesis from blastocyst to early organogenesis”。中国人民解放军总医院第五医学中心公彦栋副研究员、省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室白冰博士、博士后孙念琴、博士研究生慈百全、博士研究生邵红莲、博士研究生张婷为本论文的共同第一作者。谭韬教授、陈永昌教授，吴军教授、季维智教授、刘兵研究员为本论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、科技部重点研发计划及云南省科技厅项目支持。
第二篇论文题为“Neurulation of the cynomolgus monkey embryo achieved from 3D blastocyst culture”。中国科学院动物研究所副研究员翟晶磊、博士研究生徐艳红、助理研究员万海峰、博士研究生燕蕊、博士研究生郭敬以及美国宾夕法尼亚大学博士后Robin Skory为本文共同第一作者。中国科学院动物研究所王红梅研究员、郭帆研究员、李伟研究员和美国宾夕法尼亚大学Nicolas Plachta教授为共同通讯作者。
参考资料：
[1] Y.D. Gong， B. Bai， N.Q. Sun， B.Q. Ci， H.L. Shao， T. Zhang et al.， Ex utero monkey embryogenesis from blastocyst to early organogenesis. Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.04.020
[2] J.L. Zhai， Y.H. Xu， H.F. Wan， R. Yan， J. Guo， R. Skory et al.， Neurulation of the cynomolgus monkey embryo achieved from 3D blastocyst culture. Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.04.019
本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队