【中國科學報】重現生命最初模樣:中國科學家實現體外非人靈長類動物胚胎原腸發生過程

  對人類來說,有沒有比出生、死亡或婚姻更重要的事?

  科學家認爲有。早期胚胎發育關乎生命本源,一直是生物學研究的熱點和難點。尤其是推動細胞有序遷移並分化形成三個胚層的原腸運動,更被認爲是包括人類在內的靈長類動物發育的裏程碑事件。

  北京时间11月1日,美国《科学》杂志在线发表了环宇娱乐、中科院干细胞与再生医学创新研究院研究員王红梅课题组和研究員李磊课题组与中科院昆明动物研究所研究員郑萍课题组合作的一项研究工作,他们在体外重现了非人灵长类动物胚胎原肠发生,终于揭开了这一过程的神秘面纱,为研究灵长类动物早期胚胎发育过程建立了重要的研究基础。

  比生死更重要的事

  原腸運動作爲胚胎發育最重要的事件之一,是一個古老而神秘的研究領域。哺乳動物胚胎在輸卵管中經一系列卵裂和分化形成囊胚。隨後,囊胚遷移至子宮進行著床。著床前後,胚胎中部分細胞開始移動、重排和分化,啓動原腸運動,形成內、中、外三個胚層。

  “原肠运动是为胚胎体轴建立和器官发育奠定基础的。”論文通讯作者之一王红梅说,“如果原肠运动发生异常,往往会导致妊娠失败、出生后器官缺陷等重大疾病。”

  由于原腸運動在生命發育中的重要作用,英國著名發育生物學家路易斯·沃伯特曾說:“人一生最重要的時刻不是出生、結婚和死亡,而是原腸運動。”

  然而,雖然其重要意義不言而喻,但要研究原腸運動,卻並非易事。最初,發育生物學家是從海綿、水母、海膽、線蟲和果蠅等結構簡單的低等無脊椎動物入手,而後過渡到斑馬魚、非洲爪蟾和小鼠等高等脊椎模式動物,逐步研究揭示了原腸運動的發生機制。

  “但是,这些模式动物毕竟与人有着很大差异,即使是同为哺乳动物的小鼠,早期胚胎也跟灵长类动物有着显著不同。”論文通讯作者之一李磊告诉《中国科学报》记者,“小鼠胚胎着床后上胚层形成杯状结构,而灵长类动物则形成双层胚盘状结构。所以我们很难将小鼠的研究结果推演到人类身上。”

  “14天紅線”以外

  2016年,英國劍橋大學和紐約洛克菲勒大學的科研人員分寫宣布,他們將人類胚胎在體外培養到受精後的12~13天;2019年8月,北京大學科研團隊根據已報道胚胎培養策略重現了胚胎形態學動態變化特征,證據顯示胚胎在無母體組織參與下能發育至第12~14天。

  根據國際倫理學准則,上述研究者均在第14天終止了體外胚胎培養實驗。

  然而,胚胎原腸運動其實是發生在“14天倫理紅線”之外的,這使得到目前爲止,科學界對靈長類動物胚胎原腸運動的研究非常有限。

  “因此,我們就想能否利用與人遺傳與進化較爲接近的食蟹猴作爲模式動物,在避免14天倫理限制的同時,去研究這一生命發育過程。”王紅梅說。

  從2011年開始,王紅梅、李磊、鄭萍所在的科研團隊先後獲得了兩期中科院戰略性先導科技專項的支持,建起了一套非人靈長類動物胚胎體外培養系統。借助前期的技術積累,科研人員成功將食蟹猴囊胚體外培養至原腸運動出現,並進一步發育至受精後20天,首次證明靈長類動物胚胎可以在沒有母體支撐的情況下體外發育至原腸運動,並重現了靈長類動物早期胚胎發育的幾個關鍵事件。

  該研究對探索靈長類動物早期胚胎發育和原腸運動開辟了嶄新研究平台,爲人類早期胚胎發育異常等重大疾病的臨床藥物研發和再生醫學的發展提供了潛在的新工具,也爲人類深入認識胚胎發育機制和體外孕育除人類外的生命探索提供了重要數據。

  不孕不育新希望?

  有數據顯示,當前我國不孕不育的發生率超過15%,早期妊娠失敗率超過30%,出生缺陷發生率則爲5.6%。這意味著,平均約每8對育齡夫婦,就有1對不孕不育;而幾乎每30秒鍾,我國就會有一名缺陷兒出生。

  這樣嚴峻的現實使得學界對這項成果的臨床價值充滿期待。

  中國工程院院士、北京大學第三醫院院長喬傑評價稱:“猴類被認爲是研究人類生理學和病理學的可靠動物模型,其植入後發育的體外培養體系的建立,爲研究靈長類動物的植入後胚胎發育的過程提供了平台,將大大提高我們對靈長類和人類早期胚胎發育的認識及相關疾病的了解,特別是爲不良妊娠及胎兒畸形病因的探討奠定了很好的基礎。”

  南京醫科大學教授沙家豪則說:“這個靈長類動物的體外原腸胚形成模型系統的建立,可用于篩選來源于精子、卵子和宮內的致死和致畸因子,也可以幫助我們理解早期胚胎細胞分化,優化和提高輔助生殖技術,爲臨床治療不孕不育和防範出生缺陷提供基礎理論指導、開拓新型治療方法。”

  他同樣也盼望著,以後再在學校裏講授組織胚胎學課程時,能夠自豪地告訴學生,這裏有來自中國科學家的貢獻。

  (原载于《中国科学报》 2019-11-05 第1版 要闻)

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