2022年8月25日,

专家对一篇描述合成干细胞来源的小鼠胚胎生成的论文的反应

发表在《自然》杂志上的一篇论文探讨了利用干细胞培养合成小鼠胚胎样结构的方法。

这次农达伴随着SMC简报。

Francis Crick研究所组长Robin Lovell-Badge教授说:

Amadei和Magda Zernika-Goetz实验室的同事们的论文以及几周前Jacob Hanna实验室发表的一篇论文(Tarazi等人，2022年8月2日，Cell)都表明，完全从培养的胚胎干细胞中衍生出非常复杂的结构是可能的，这种结构与8.5天小鼠胚胎非常相似。两组研究人员还比较了他们的胚胎模型细胞内的基因活动和同等阶段的正常胚胎内的基因活动(根据形态判断)，发现两者给出了非常相似的特定基因标记的图谱和非常相似的空间模式。使用的方案是相似的，相对简单，令人放心的是，两个实验室的结果是可比较的，重复性是非常重要的。然而，这包括从最初的干细胞类型一路到胚胎样结构的效率相当低，后者在两种情况下都与正常胚胎不同，而且没有数据(至少目前)表明它们可以被植入子宫并进一步发育，更不用说足月了。因此，重要的是要避免把这些类似胚胎的模型当作真实的东西——即使它们正在接近后者。如果这些干细胞是从人类干细胞中提取出来的，而这些干细胞不应该被移植到子宫的观点已经被接受，我们将永远不会知道它们是否等价。

这些是“整合的基于干细胞的胚胎模型”，包括胚胎外组织，以及形成早期器官的胚胎部分，其组织似乎是正确的模式。发表的研究还使用了小鼠胚胎干细胞，其优势是胚胎样模型可以很容易地与正常胚胎进行比较。如果类似的协议能用于人类胚胎干细胞或诱导多能性干细胞，这将是一件有趣的事情，如果两个实验室都在研究这个，我不会感到惊讶。拥有早期人类胚胎的基于干细胞的精确模型将是非常有价值的，特别是能够研究原肠形成期间和刚刚结束时的事件，当时基本的身体计划已经建立，以及中枢神经系统、心脏、肠道和生殖细胞等组织，我们对这些组织知之甚少，可能与小鼠和其他动物胚胎存在很大差异。然而，任何基于人类干细胞的胚胎模型都需要对正常人类胚胎进行验证，在英国以及许多其他国家，这将需要改变法律或普遍接受的指导方针，目前胚胎培养有14天的限制，这只是原肠发育可能开始的一点。考虑到与真实胚胎的相似性，因此也需要考虑是否以及如何规范这种基于干细胞的整合胚胎模型。它们可能不需要同等水平的审查，部分原因是它们可以在数千个胚胎中产生，这将是不必要的监管负担，尤其是在没有证据表明它们与正常胚胎相同的情况下。但公众可能希望有一定程度的监管和监督，科学家也希望他们的研究有边界，这样他们就知道研究不会越界进入可能无法接受的领域。这是HFEA需要考虑的事情，因为他们目前对胚胎干细胞产生后会发生什么没有发言权，他们根本没有管理诱导多能性干细胞的产生和使用。

我个人不喜欢“合成胚胎”这个词，它可能给人一种印象，当它们来自胚胎衍生的胚胎干细胞时，它们是完全人造的。如果要用诱导多能干细胞来替代(没有任何理由会有任何不同)，它们将来自成年人。在任何一种情况下，捐赠者都应该同意研究，这些人应该得到尊重。”

一些添加的背景:

“哺乳动物的胚胎在不透明的环境中发育，子宫和母亲，在那里观察它们或进行干预是很有挑战性的。哺乳动物胚胎发育的建模方法在体外因此，对于进一步了解两个正常过程，如细胞命运如何决定或器官开始形成，以及了解有害基因变异或外部影响(包括化学物质、病毒等)出了什么问题，都是非常重要的。人类胚胎发育尤其如此，我们对人类胚胎发育的了解远远少于通常用于研究的动物，尤其是老鼠，而且越来越清楚的是，虽然一般原则可以是相同的，但许多细节却不一样。从人类干细胞中提取的模型对于理解特定基因突变出了什么问题非常重要，有助于找到避免这些问题的方法或测试广泛疾病的潜在治疗方法。然而，如果要对结果有任何程度的信心，这些方法必须比Amadei等人或Tarazi等人报告的更有效，其中绝大多数胚胎样结构显示异常或完全失败。

虽然许多干细胞衍生模型专注于衍生特定的细胞类型或器官样结构，但使用所谓的胃泌素来模拟植入后发育的复杂动态方面已经取得了进展，胃泌素属于ISSCR(国际干细胞研究学会)定义的“非整合干细胞为基础的胚胎模型”的类别，因为它们缺乏胚胎在子宫内植入和发育所需的胚外组织。一些研究小组也一直在尝试推出“整合的基于干细胞的胚胎模型”，该模型将能够产生胚胎外组织的细胞(特别是产生胎盘的滋养外胚层和产生卵黄囊和肠道中的一些细胞的胚胎外内胚层)和从早期植入后胚胎的“外胚层”发育而来的胚胎固有细胞结合在一起。除了使用来自早期植入前胚胎(囊胚)的胚胎干细胞(ESCs)，也可以使用诱导多能干细胞(iPSCs)，它可以来自于被重编程成esc样状态的成人体细胞。重要的是，这些基因可以来自任何个人，包括那些患有遗传疾病的人。然而，对于ESCs和iPSCs，为了获得胚外细胞类型和产生这些类型的干细胞，它们必须在使它们“naïve”的条件下培养，或者必须添加促进它们分化的因素。

雷丁大学干细胞生物学和再生医学副教授大流士·威德拉博士说:

“这项研究令人印象深刻，代表了发育生物学领域的另一个里程碑。尽管该领域取得了重大进展，但复杂的胚胎发育模型仍然很少见。

“作者生成了迄今为止最先进的胚胎模型之一，这可以帮助我们理解早期发育的许多方面。Amadei和同事创造的结构相当准确地再现了自然小鼠胚胎的发育过程，包括早期大脑、跳动的心脏样聚集物和肠道样结构。因此，本研究建立的小鼠胚胎模型可以为更好地了解动物和人类的发育以及潜在的出生缺陷铺平道路。

“然而，尽管数据很有希望，但该方案的疗效仍然适度。此外，相似年龄的自然小鼠胚胎包含更广泛的细胞类型。最后，模型小鼠胚胎可与非常早期的发育阶段相媲美。因此，需要进一步的研究来优化程序和生成后期胚胎结构，以大大减少对实验动物的需求。

“还应该指出的是，老鼠和人类的发育有根本的不同。”

国家生物技术中心(CNB-CSIC)和CIBERER-ISCIII的研究教授Lluís Montoliu说:

“生物学的基本挑战仍然是了解像我们任何人一样复杂的生物是如何从一个单细胞发育而来的。了解在胚胎发育过程中，单个细胞胚胎是卵子与精子受精的产物，如何产生数百种不同类型的细胞。为了回答这些问题，我们可以观察其他动物的发育过程，比如斑马鱼，它的胚胎在外部发育，在透明的卵内，我们可以看到里面发生的一切。然而，对于像我们这样的哺乳动物来说，这要困难得多，因为胚胎植入在女性的子宫里，并在解剖学结构中发育，很难看到和接触到。我们直接观察哺乳动物胚胎发育过程中发生的细节的能力仅限于胚胎植入子宫之前的早期阶段。

这是Magdalena Zernicka-Goetz的实验室给自己设置的挑战，她现在在杂志上发表了她的论文大自然。她成功地在实验室里从老鼠身上复制了哺乳动物胚胎发育的初始阶段，而不需要雌性参与植入胚胎。而且他们也不需要借助精子与卵子的受精就能做到这一点。相反，这些研究人员使用了不同类型的胚胎干细胞(干细胞)，当它们混合在一起时，产生了一种新的生物结构，看起来非常像自然胚胎，但不是自然胚胎。这些是合成胚胎，完全是在实验室里发育的。

为了这些合成胚胎的子宫外发育，Zernicka在加州理工学院(加州，美国)的实验室使用了一种设备，一种人工孵卵器，这使得模拟女性子宫中存在的生理条件成为可能。这个巧妙的技术解决方案是由以色列魏茨曼研究所的雅各布·汉纳的实验室开发的，他是这项研究的合著者，几周前他也报告了类似的实验，发表在期刊上细胞。

“合成胚胎在妊娠8-9天达到与自然胚胎相当的阶段，几乎是小鼠妊娠时间的一半，即19-20天。它们设法发展出非常相似的解剖结构，比如有心跳的心脏，和有不同区域的大脑。这些合成胚胎不是胚胎，但它们对研究很有用。

“由于这些合成胚胎是从培养的胚胎干细胞中提取出来的，它们也可以从含有某些基因突变的细胞中产生，从而研究这种突变在发育的初始阶段产生的影响，在实验室中直接观察每一刻发生的事情。这是研究哺乳动物胚胎时所没有的特权。

“毫无疑问，我们正面临着一场新的技术革命，虽然效率仍然很低(让干细胞自发生成合成胚胎非常困难)，但潜力巨大。这让人想起了科学的巨大进步，比如多利羊的诞生，我们1997年见过吗用体细胞的细胞核重建胚胎，或诱导多能胚胎干细胞，iPS细胞，山中伸弥在2006年描述的，这使他赢得了2012年诺贝尔生理学或医学奖他与克隆两栖动物的先驱约翰·戈登(John Gurdon)分享了这一研究成果。一场革命自然也会引发新的伦理困境，如果我们曾经想过将这些实验转移到人类物种以产生人造人类胚胎，也许是为了使用它们来获得新的组织或器官来修复或替换那些受损的，就像汉娜已经提出探索的那样他创建的公司特别的”。

弗朗西斯克里克研究所高级实验室研究科学家克利斯朵夫·加利切特博士说:

Amadei等人的研究与汉纳实验室本月早些时候发表的研究极为相似，只是在培育合成胚胎的方式上有细微的差异。

通过将干细胞组合在一起，并提供适当的环境，合成胚胎发育，尽管效率不高，但超过了自然胚胎必须植入母亲的子宫形成大脑、心脏和肠道等器官的时间点。合成胚胎在分析的各个方面与与年龄匹配的自然胚胎相似。然而，就像本月早些时候发表的研究一样，合成胚胎不能在8天后发育。这种封锁是不被理解的，需要克服，如果一个人希望培养小鼠合成胚胎超过第8天。

“一旦效率问题得到解决，合成胚胎可以替代自然胚胎来研究健康和疾病的早期发育。为了验证合成胚胎是天然胚胎的替代品，作者生成了与匹配的转基因自然胚胎相当的转基因合成胚胎。作者设计了缺乏Pax6基因的胚胎干细胞，该基因参与神经管、大脑和眼睛的形成。由pax6缺失的胚胎干细胞生成的合成胚胎类似于pax6缺失的天然胚胎。

“由于该系统的效率低下和发育障碍，现在谈论对现实世界的影响还为时过早，但现在科学家已经掌握了制造植入后人类合成胚胎、形成大脑和跳动的心脏等器官的方法。”因此，讨论这种方法研究人类胚胎发育的伦理和监管意义至关重要。”

庞培法布拉大学(UPF)实验与健康科学系ICREA高级研究教授Alfonso Martinez Arias教授说：

这项研究是继Jacob Hanna实验室上周在Cell (https://bit.ly/3ccZQEA)．Zernicka Goetz的团队多年来一直在追求这一目标，他们聚集了小鼠发育早期阶段的胚胎外细胞和胚胎细胞类型，希望能产生小鼠胚胎。他们现在已经做到了这一点，这一结果似乎是由于最初的细胞群发生了一些变化，以及使用了汉纳团队开发的培养系统。

“这项工作表明，需要胚胎和胚胎外组织之间的相互作用来制定哺乳动物的身体计划。值得注意的是，这可以发生在子宫外。

“作为一个概念的证明，汉纳团队的这项工作是好的，这意味着我们对哺乳动物发展的早期阶段的理解取得了一些进展。然而，如果要以任何实际的方式使用该系统，未来将需要解决一些问题。特别是，这些合成胚胎出现的频率非常低(大约是开始培养的1%)，这些合成胚胎在成熟前几天就会崩溃，并且在组织和器官的组织中都显示出许多缺陷。目前还不清楚这个系统将如何更有效、更有力地替代提供胚胎的动物。早期阶段比较强大，也许它们可以用来研究胚胎和胚胎外组织之间的早期相互作用，但是，再一次地，可重复性和可靠性还有待提高。

“这份报告的观点很重要，因为如果没有它，体外培育哺乳动物胚胎的标题可能会导致人们认为人类很快也能做到这一点。虽然未来可能会出现这种情况，但这需要时间，而且首先需要对鼠标系统中提出的效率和保真度问题进行排序。无论如何，这一结果确实预示着，在未来，类似的实验将在人类细胞上进行，并且在某个时刻，将产生类似的结果。这应该鼓励在这些实验发生之前考虑这些实验的伦理和社会影响。

“这不仅仅是一个标题，而是关于《科学》杂志，在这方面还有很多工作要做。重要的是，新闻工作者要注意那些有时被隐藏起来的小字——《科学》。这是一种进步，但只是在发育的非常早期阶段，这是一种罕见的现象，虽然表面上看起来像胚胎，但却存在不可忽视的缺陷。”

Francis Crick研究所首席小组组长兼助理研究主任James Briscoe博士说:

“与Hanna及其同事(魏茨曼研究所)最近报道的工作类似，这是一个有价值的概念证明，可以从干细胞组装合成小鼠胚胎样结构。它建立在发育生物学先前的进展之上，这些进展确定了产生启动胚胎形成所需的一套干细胞的分子配方。通过将这些细胞结合在一起，这项研究表明，有可能在人体主要器官(包括神经系统、心脏和肠道)开始建立的阶段诱导类似老鼠胚胎的东西的发育。然而，一个重要的发现是，这些“合成胚胎”的形成非常低效。此外，即使是成功的合成胚胎似乎也不像自然胚胎那样组织良好，无法在相当于胚胎期8.5天的时间内发育(这只是正常小鼠妊娠期的一半)。进一步发育受阻的原因尚不清楚，但可能与作者报道的某些胎盘细胞类型的形成缺陷有关。这强调了我们对于胚胎如何构建自身还有很多需要了解的地方。这项研究报告的技术是一个有希望的方法，为哺乳动物胚胎如何组织和构建器官提供新的见解。尽管如此，这项研究具有广泛的影响，尽管合成人类胚胎的前景还需要进一步的研究(因为人类胚胎与小鼠胚胎不完全相同)，现在是对这类研究的法律和伦理影响进行更广泛讨论的好时机。”

'合成胚胎完成原肠发育到神经形成和器官形成Magdalena Zernicka-Goetz教授写道et al。发表在自然英国时间周四25日16:00^th2022年8月。

DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 05246 - 3

利益声明

罗宾教授:“没有竞争的经济利益。”

大流士Widera博士:“没有竞争利益需要披露。”

博士Lluis Montoliu:“没有利益冲突。”

克利斯朵夫Galichet博士:“没有利益冲突。”

阿方索·马丁内斯·阿里亚斯教授“我的小组已经开发了基于动物发育的替代干细胞模型。”

詹姆斯博士电话:“没有宣布存在利益冲突。”