人生命起源的黑匣子正缓缓打开

科技日报记者 赵汉斌

人的生命起源于早期胚胎，这是生命科学的重要问题。然而，人着床后胚胎发育是怎样进行的？胎儿形成即原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程有没有图迹可循？

国际顶级期刊《自然》日前以长文形式在线发表了昆明理工大学灵长类转化医学研究院的李天晴教授和季维智院士等与云南省第一人民医院合作完成的一项研究成果，首次建立人胚胎三维培养系统，首次系统揭示了原肠前人胚胎和多能干细胞的发育过程。他们所绘制的分子和形态发育全景图，填补了相关领域的空白，实现了昆明理工大学灵长类转化医学研究院科研基础、团队、技术实力在全世界研究领域的并跑、领跑，为研究人着床后的早期胚胎发育建立了重要的研究基础。

人着床后胚胎发育是一个神秘“黑匣子”？

人类受精卵的发育，始于一系列卵裂和形态发生重排，形成囊胚。晚期囊胚包含三个不同的细胞谱系，即上胚层细胞，以及内胚层细胞和滋养外胚层两个胚外组织。在进入子宫后，前者产生三胚层细胞以及整个胎儿，而后两者分别产生卵黄囊和胎盘。对囊胚前人胚胎的发育，已经开展广泛的研究，取得了重要的进展。

然而，在发育的第7天，人胚胎需植入母亲的子宫中才能继续存活和发育。这个阶段胚胎在子宫体内发育在三维时空上受到复杂而精细的调控，受限于伦理和研究技术的限制，研究材料无法获得，同时又缺乏相应的体外研究体系，人着床到第14天的原肠胚形成前，胚胎的发育长期以来是一个神秘的“黑匣子”。

“原肠开始形成以后，神经系统开始形成，就逐渐形成胎儿，就不是胚胎了。我们研究早期的胚胎在子宫的这段时间，究竟发生了什么样的变化？什么样的分子机制去可以去调控和维持它的正常发育？哪些因素又可以影响它的正常发育？我们未来的目的，是要解决这些问题。”李天晴教授告诉科技日报记者，其实人怀孕的前2至3周，是保证胎儿发育的核心的关键期，基础不牢，会地动山摇。

其中囊胚的产生，约在5至6天时间，形成了一个生命里的第一次谱系分化；第二个阶段实际上就是开始着床的阶段，这将能决定胚胎能不能往下发育的核心关键过程，如果正确着床、胚胎发育营养跟上、发育正常，就可以顺利长成一个胎儿；第三个阶段就是原肠的形成，如果三胚层出现问题了，那么胎儿发育肯定会出现先天性发育的缺陷，很多情况下会形成了神经管发育不全、脑瘫、脊柱发育不全等等疾病。第一个阶段当前研究比较多，对第三个阶段，由于存在较大的伦理问题，目前还无法开展相关研究。

因此，原肠前着床的阶段的研究，对人胚胎发育关键事件的理解，以及对人类干细胞、组织器官再生研究和应用，同时对不孕症、早期发育疾病的预防与治疗极为关键。

分子和形态发育全景图揭示了哪些关键发育事件？

“实际上，我们的研究，就是把人原肠前胚胎关键发育的分子机制，以及它的形态学整个发育的过程画出一个完整的图，反映这个过程产生了什么样的变化。也就是说，我们对人类本源的了解都在最初阶段。打开‘黑匣子’，就能对人生命的形成有突破性的了解。”李天晴教授说。

研究组首次将人囊胚在三维（3D）条件下培养到第14天的原条阶段，但未出现早期神经系统的发育，符合胚胎研究的国际伦理。研究取得的突破，主要是揭示了上胚层细胞、下胚层细胞和滋养层细胞谱系分化和发育的动态和分子调控网络；其次，研究发现羊膜上皮细胞是上胚层细胞分离出来的第一类细胞系，不同于啮齿类动物，人羊膜上皮细胞发生于原条形成之前，但其特性和分子机制还不清楚。研究组发现，与上胚层细胞相比，羊膜上皮细胞显著地下调多能性基因，其形成与基底膜的缺失显著相关，并有独特的分子表达谱。他们还首次阐明细胞滋养层、绒毛外细胞滋养层和合胞体滋养细胞在胚胎着床后的分化以及引起分化的信号和转录因子，揭示了绒毛外细胞滋养层在早期胚胎中不同于中、后期胎盘的功能。

此外，他们还揭示了上胚层细胞即多能干细胞着床后，就很快从“原始态”（naive）向“始发态”（primed）的转变。而获得优质的多能性干细胞是干细胞再生功能组织器官的最为重要的因素之一，其多能干细胞表达谱的变化，主要发生在内细胞团到着床前上胚层细胞以及原条产生的两个阶段。多能干细胞在着床到第14天期间，保持相对稳定状态，其发育和转化是由不同的多能因子协调作用所决定的。通过人和猴子胚胎的转录组分析，研究组发现猴子和人上胚层细胞在代谢上具有明显差异，而在维持干细胞多能性以及发育的关键分子和信号通路上具有保守性。

李天晴教授表示，通过此项研究，我们对人生命的认识也更加深刻。未来，人们可以由此提高试管婴儿的成功率，解决人类生殖发育的一系列问题；其次，可能找到一些早期的标志物，比如如何筛选优质的胚胎实现优生优育；再次，这一研究还初步搞清了再生医学领域一个非常重要的东西，那就是干细胞的发育问题。

从平面2D到立体3D研究实现哪些重大突破？

正如前文所述，此前学界无法获得自然受孕后的早期着床后阶段的人类胚胎，因此多用啮齿类胚胎或非人灵长类胚胎等模式生物替代研究，但这样就无法准确反映人类分子调控等规律的真实情况。同时，新近人类妊娠前胚胎发育的成果，包括《科学》杂志不久前发表的论文，仍然受到二维技术平台的限制，无法模拟体内条件。

李天晴教授介绍说，在获得严格的伦理允许和病人知情同意的条件下，研究组利用临床捐献的胚胎，首先通过改善培养基和培养方法，开发了一个三维（3D）人囊胚培养体系，克服二维（2D）无法模拟胚胎发育的缺陷，首次将人囊胚在3D条件下培养到第14天的原条阶段，以更接近体内的真实条件。

“建立3D胚胎的核心，在于细胞的生长需要有最接近人体生理环境的培养体系，这个体系可理解为供给细胞和胚胎的食物和胚胎生长的空间环境。此前，国内外在培养体系的研究还有诸多缺陷，导致所培育的胚胎细胞无法保持空间的立体结构，如一滩水一样，表面塌陷，因此细胞只能和培养皿进行表面的接触，成为2D的环境，这样细胞之间也只能一对一或仅发生少量的连接，这对进一步研究细胞与细胞之间的相互作用具有重大缺陷。”李天晴解释说，实际上，细胞与细胞之间的接触，原本是三维的环境，如同我们把一颗水珠悬起来，不让它塌下去。由于2D条件缺乏空间支撑的结构，胚胎到了一定时间就无法进一步发育，因此通常2D胚胎只能到第12天左右。

目前，他们自主研发的培养体系可实现3D胚胎的培育，并能高度地模拟了体内胚胎的环境，胚胎经历不同形态的发育并自发组装成2D条件下无法产生的3D结构，包括胚胎双层杯盘、羊膜、基底膜、初级和灵长类独特的次级卵黄囊、前后轴和原条。

另外，李天晴团队长期以来在干细胞方面开发出了多种干细胞的培养体系，包括人多能干细胞、神经上皮干细胞以及间充质干细胞。“我们研发的新培养体系，不但实现了自给，还可拓展成为领先全球的一项产业。”李天晴说，他还深信，这些自主研发的培养系统，将给学界提供一个新的平台，去研究更前沿的课题。在这些平台上，将来甚至可能真正培养出功能组织器官，这将是一个真正里程碑意义的创举。