也不是没有可能?科学家不用精子卵子子宫科学家培育出胚胎

也不是没有可能?科学家不用精子卵子子宫科学家培育出胚胎

胚胎没有子宫能生长发育吗?也不是没有可能。

魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的雅各布·汉纳(Jacob H.Hanna)教授及其研究团队制作了一个“机器子宫”,成功地让小鼠胚胎在其中发育了6天,并经历了从早期原肠胚阶段到晚期器官发生阶段的关键阶段。该研究成果于2021年3月发表在顶级期刊《自然》上。

如果没有精子和卵子,能有胚胎吗?也不是没有可能。

或者雅各布·汉纳教授和他的研究团队。他们直接用小鼠胚胎干细胞(ESCs)构建了一个胚胎模型,在体外的“机器子宫”中培养了8天。可以观察到胚胎完成了原肠胚的形成和脑、神经管、心脏等重要器官的特异性祖细胞分化,在形态和基因表达上与自然生长的胚胎极其相似。

这一令人瞩目的研究成果也发表在顶级期刊《细胞》上。说科学家有“无中生有”的超能力一点都不夸张吧?

在正式开始“无中生有”之前,我们先来回忆一下这个由Jacob H.Hanna教授制造的“机器子宫”,这是一个能够在子宫外培养小鼠胚胎的机械平台。雅各布·H·汉纳教授和他的研究小组探索了老鼠胚胎在其中生长发育的最佳条件。

原肠胚期需要静态培养和旋转培养相结合,原肠胚后期需要完全在旋转培养中度过。而静态或旋转培养,则需要模拟自然子宫的营养供给,同时严格控制氧气、压力等参数。小鼠胚胎的发育程度约为自然胚胎的5.5天至11天(小鼠自然妊娠时间一般为20天),从原肠胚形成前到后肢形成前的生长发育过程已经完成。

小鼠胚胎体外培养系统

事实上,人类一直在努力恢复胚胎的生长发育。科学家已经能够将成熟细胞重新编程为胚胎干细胞,但多年来,将干细胞分化为高度特定的器官或获得正常功能的胚胎一直是科学家的一个大问题。

在成功开发出体外培养小鼠胚胎的“机器子宫”后,雅各布·汉纳(Jacob H.Hanna)教授认为,是时候挑战这个难题了。

在实验之初,研究人员并没有打天然胚胎细胞的想法。胚胎干细胞(ESC)可以被诱导分化为滋养层干细胞(TSC)和原始内胚层细胞(PrE),所以理论上胚胎干细胞可以是胚胎和胚外组织的全部来源。只要方法得当,仅通过体外培养胚胎干细胞就有可能合成一个完整的胚胎。

通过过量表达相关基因,研究人员可以使原始状态的胚胎干细胞分别分化为滋养层干细胞或原始内胚层细胞。之后,将预处理后的三组细胞(Priority TSC、Priority PrE和ESC)按一定比例放入聚合物基质中,这一伟大的“无中生有”工程正式开始。

混合培养的第三天

将细胞从聚合基质转移到培养板上,并放入组织培养箱中进行振荡培养。可以观察到细胞数量增多,三组细胞聚集成细长的胚状,形成明显的外细胞层。

混合培养的第4天

细胞出现明显的外胚层和胚胎外胚层,生长5.5天后与自然胚胎相似。

混合培养的第五天

细胞形成一个椭圆形圆柱体,并被转移到“机器子宫”进行旋转培养。

合成胚胎出现逐渐扩大的前期羊膜腔和早期原始条纹,成功打破了胚胎的对称性,与自然胚胎生长6.5天时相似。内胚层、滋养层、外胚层和原肠胚标记的免疫荧光图像与匹配的E6.5天然胚胎的比较

混合文化的第6天

合成胚胎进入神经板阶段,神经板开始形成。羊膜、羊膜腔和胚外腔产生,可观察到早期尿囊芽。

混合培养的第7天

卵黄囊在胚胎周围膨大,呈现明显的头尾轴。原始条纹迁移明显,出现明显的心脏区,与自然胚胎8天的生长情况相似。

混合培养的第8天

卵黄囊外可见血岛,卵黄囊内开始血液循环。合成胚胎有明显的脑褶、神经管、肠子、心脏和尾巴,甚至可以观察到心脏的跳动。它与生长8.5天的天然胚胎高度相似。合成胚胎不仅在单细胞水平上表现出特定的细胞分化,而且这些早期器官的细胞转录也与天然胚胎高度相似。中胚层、脊索、神经管、心脏等组织的标志物在相应组织中特异表达。

培养第8天与自然胚胎第8天的比较

雅各布·H·汉纳教授“无中生有”的壮举到此为止。当然,他对未来的研发充满信心。因为胚胎的体外培养装置是透明的,他们或许可以很容易地观察到这些胚胎细胞是如何准确地找到自己的位置,并把自己组装成完整的器官的。而合成胚胎未来可能成为移植器官的可靠来源,成为真正的“全自动3D生物打印机”。

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