无须精子和卵子，干细胞培育的人造胚胎发育出完整的大脑结构以及心脏

8月25日，来自英国剑桥大学的Magdalena Zernicka-Goetz教授团队在Nature上在线发表了题为“Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis”的论文。研究人员对小鼠胚胎干细胞（ESC）、滋养层干细胞（TSC）和胚外内胚层干细胞（XEN）进行培养得到了干细胞衍生的合成胚胎，该胚胎模型复制了自然小鼠胚胎从受精到第8.5天的各个发育阶段，产生了具有明确的前脑和中脑区域的头褶（head-fold）、跳动的心脏样结构、神经管和体节组成的躯干、肠管（gut tube）和原始生殖细胞等。值得一提的是，这是科学家首次让人造胚胎拥有了完整的大脑结构，这一直是合成胚胎领域的最主要目标。

胚胎干细胞在胚胎的发育过程中至关重要，研究人员可以利用胚胎干细胞在实验室形成胚胎样结构，但无法全然模拟发育的所有阶段，要形成完整的胚胎，还需要另外两个支持胚胎发育的结构——为胎儿运输氧气与营养的胎盘，以及为胚胎生长和早期发育提供营养的卵黄囊，这两种结构分别由滋养层干细胞（TSC）和胚外内胚层干细胞（XEN）分化而来。胚胎干细胞连同这两种干细胞，通过彼此间的信号交流，确保胚胎的正常发育。

在这项研究中，研究团队将这三种干细胞按比例组装成衍生胚胎模型，通过诱导特定基因的表达让三种干细胞彼此交流，进行信号传导（这是胚胎发育的关键阶段），同时研究人员使用了一种可以模拟子宫生理条件的装置——人工孵化器，以在实验室中模拟胚胎发生的自然过程。

结果显示，这些干细胞自行组织形成胚胎结构并持续发育至形成了神经管、跳动的心脏、体节组成的躯干、具有明确的前脑和中脑区域的头褶、包含神经中胚层祖细胞的尾芽、肠管和原始生殖细胞等，相当于自然状态下，受精后8.5天的小鼠胚胎。

该项研究结果证明了胚胎和两种类型的胚胎外干细胞重建哺乳动物发育的自组织能力，同时，基于其展现出了前脑的结构，这也是目前在干细胞衍生胚胎模型中实现的最先进的发育阶段。

在进一步的实验中，研究团队在胚胎模型中敲除了Pax6基因（为大脑、眼部发育必不可少的基因，突变后的胚胎会展现出特定的大脑发育缺陷），结果显示胚胎模型出现了相应的缺陷，其效果与敲除小鼠自然胚胎Pax6基因相似。这意味着，人工胚胎模型可以模拟真实胚胎中的神经发育情况，未来可能不再需要使用模式动物，而是直接在人工胚胎中分析调控发育的遗传因子的作用机制。

研究领导者之一、论文通讯作者Magdalena Zernicka-Goetz表示，“我们的小鼠胚胎模型不仅成功发育出大脑，还发育出了跳动的心脏，这些都是组成身体的重要成分。我没想到我们终于走到了这一步，这是一个难以置信的进步，也是我们团队十年的努力终于梦想成真。”干细胞胚胎模型十分重要，它能让我们接触到胚胎发育的早期阶段（这是此前无法基于传统方法看见的隐秘时期），让我们看到它是如何在培养皿中发生的，并了解怀孕失败的原因以及如何防止类似情况的发生。这样的可及性让我们能操控基因以理解它们对于模型系统的发育所起到的作用。同时， 全球有无数人在等待器官移植，从这项研究中得来的知识未来或许可以用来培育合成人类器官，从而拯救无数人的生命。