人类胚胎早期发育的黑匣子 正在缓缓打开？

人类的生命起源于早期胚胎，但人类胚胎在植入后如何发育？是否有胚胎形成的痕迹，即植入前胚胎和多能干细胞的发育过程？科学家们一直在寻找这些生命问题的答案。

国际*期刊《自然》最近在网上发表了一篇长文，介绍了昆明理工大学灵长类转化医学研究所的李天庆教授和纪院士与云南省第一人民医院合作完成的一项研究成果。他们首次建立了三维人类胚胎培养系统，首次系统地揭示了原始胚胎和多能干细胞的发育过程。他们绘制的分子和形态发育全景图填补了相关领域的空白，为研究胚胎植入后的早期发育奠定了重要的研究基础。

从受精卵的植入到第14天原肠胚的形成，人类胚胎的发育仍然是一个神秘的“黑匣子”

人类受精卵的发育始于一系列卵裂和形态重排形成胚泡。晚期胚泡包含三种不同的细胞谱系，即上胚层细胞、内胚层细胞和滋养层细胞。进入子宫后，上胚层细胞产生三个胚层细胞和整个胎儿，后两个分别产生卵黄囊和胎盘。科学家们对囊胚发育进行了广泛的研究，并取得了一些进展。

然而，在发育的第7天，人类胚胎需要植入母亲的子宫中才能存活和发育。在这个阶段，胚胎在子宫体发育过程中在三维空间和时间上受到复杂和精细的调节。由于伦理和研究技术的限制，没有研究材料，也没有相应的体外研究系统。从受精卵着床到第14天原肠胚形成，胚胎发育一直是一个神秘的“黑匣子”。

“在原肠开始形成后，神经系统开始形成并逐渐形成一个胎儿，它不是胚胎。子宫中的早期胚胎发生了什么变化？什么样的分子机制可以调节和维持其正常发育？什么因素会影响它的正常发展？这些都是需要解决的问题。”李天庆告诉《科学日报》，怀孕的前两到三周是保证胎儿发育的关键时期。

胚泡的产生在大约5到6天内形成生命的第一个谱系分化。第二阶段实际上是植入阶段，这是决定胚胎能否向下发育的关键过程。如果胚胎在植入后营养发育正常，它可以顺利成长为胎儿。第三阶段是原肠的形成。如果三个胚层有问题，先天性发育缺陷肯定会在胎儿发育中出现。在许多情况下，疾病如神经管发育不良、脑瘫、脊柱发育不良等。将会形成。目前，第一阶段的研究很多，但第三阶段由于存在较大的伦理问题，相关研究目前无法开展。

因此，研究原肠的植入前阶段，了解人类胚胎发育的关键事件，研究和应用人类干细胞、组织和器官再生，以及预防和治疗不孕症和早期发育疾病至关重要。

绘制分子和形态发育全景图期待对早期胚胎发育的认识有所突破

“事实上，我们的研究是为了描绘出人类前胚胎发育关键的分子机制及其形态发育过程的完整画面，反映出在这一过程中发生了什么样的变化。也就是说，我们的研究有望打开人类胚胎初始阶段的“黑匣子”，并在生命认知方面取得突破李天庆说道。

研究小组首次在三维(3D)条件下培养人胚泡至第14天的胚胎阶段，但没有早期神经系统发育，这符合胚胎研究的国际伦理准则。这项研究的突破主要揭示了上胚层细胞、下胚层细胞和滋养层细胞谱系分化和发育的动力学和分子调控网络。其次，研究发现羊膜上皮细胞是从上皮细胞分离的第一类细胞系。与啮齿动物不同，人类羊膜上皮细胞出现在原始链形成之前，但其特征和分子机制仍不清楚。研究小组发现，与上皮细胞相比，羊膜上皮细胞显著下调多能基因，多能基因的形成与基底膜的缺失显著相关，并具有独特的分子表达谱。他们还首次解释了胚胎植入后细胞滋养层、绒毛外细胞滋养层和合胞体滋养层的分化，以及导致分化的信号和转录因子，揭示了早期胚胎中胎盘的绒毛外细胞滋养层的不同功能。

此外，他们还揭示了在植入后，上皮细胞，即多能干细胞，迅速从“原始状态”变为“初始状态”。其多能干细胞表达谱的变化主要发生在两个阶段，从内部细胞团到植入前的上胚层细胞和原始条带的产生。从植入到第14天，多能干细胞保持相对稳定的状态，它们的发育和转化由不同多能因子的协调决定。通过对人和猴胚胎的转录组分析，研究小组发现，猴和人的上胚层细胞在代谢方面有明显的差异，而在维持干细胞和关键分子的多能性以及发育的信号通路方面则较为保守。

李天庆说，通过这项研究，我们对人类生活有了更深的了解。未来，人们可以提高体外受精的成功率，解决人类生殖发育中的一系列问题。其次，有可能找到一些早期标记，如如何筛选高质量的胚胎，以实现良好的产前和产后护理。第三，本研究也初步阐明了再生医学领域中一个非常重要的问题——干细胞的发展。

三维人类胚泡培养系统为解决与生命发展相关的难题提供了新的平台

如上所述，以前的学术界无法在自然受孕后的植入后早期阶段获得人类胚胎，因此大多采用啮齿类动物胚胎或非人类灵长类动物胚胎等模型生物进行研究，但这并不能准确反映人类分子调控的真实情况和其他规律。与此同时，人类孕前胚胎发育的最新成果，包括最近发表在《科学》杂志上的论文，仍然受到二维技术平台的限制，无法模拟体内条件。

李天庆表示，在获得严格的伦理许可和患者知情同意的情况下，研究组通过改进培养基和培养方法，克服二维(2D)不能模拟胚胎发育的缺陷，开发了三维(3D)人胚泡培养系统，首次在3D条件下培养人胚泡至第14天的原始阶段，更接近体内的真实情况。

“构建3D胚胎的核心是细胞的生长需要一个最接近人体生理环境的培养系统。这个系统可以被理解为提供给细胞和胚胎的食物以及胚胎生长的空间环境。以前，国内外对培养体系的研究存在很多缺陷，导致培养的胚胎细胞无法维持空间的三维结构，如水池，表面塌陷，细胞只能与培养皿表面接触，成为2D环境，细胞只能有一对一或少量的连接，这对于进一步研究细胞间的相互作用有很大的缺陷。”李天庆说，事实上，细胞与细胞的接触原本是一个三维的环境，就像我们挂一滴水来防止它坍塌一样。由于在2D条件下缺乏空间支持结构，胚胎在一定时间内不能进一步发育，所以2D胚胎通常只发育到第12天左右。

目前，他们自主开发的培养系统可以实现三维胚胎的培养，并能高度模拟胚胎在体内的环境。胚胎经历不同形式的发育并自发组装成在2D条件下不能产生的三维结构，包括胚胎双层杯盘、羊膜、基膜、初级和灵长类独特的次级卵黄囊、前后轴和原始条纹。李天庆相信，他们自主研发的培训体系将为学术界提供一个新的平台，在生活的前沿研究相关课题。