編輯丨王多魚

排版丨水成文

2018 年 1 月，孫強(qiáng)、劉真團(tuán)隊在Cell期刊發(fā)表論文【1】，在全世界范圍內(nèi)首次利用體細(xì)胞核移植技術(shù)成功培育出了克隆猴。

2023 年 11 月，劉真、孫強(qiáng)團(tuán)隊在Cell期刊發(fā)表論文論文【2】，在全世界范圍內(nèi)首次成功構(gòu)建了高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活的嵌合體猴，并證實了猴胚胎干細(xì)胞可以高效的貢獻(xiàn)到胚外胎盤組織和生殖細(xì)胞，該論文還被選為封面論文。

2025 年 1 月，劉真團(tuán)隊等在Cell期刊發(fā)表論文【3】，該研究繪制了人類和小鼠著床前胚胎的深度蛋白質(zhì)組景觀圖譜，結(jié)合跨物種比較和多組學(xué)整合分析，系統(tǒng)性解讀了哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程，闡明了人類著床前胚胎發(fā)育及失敗的機(jī)制。

2025 年 12 月 3 日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心劉真研究員、孫強(qiáng)研究員及西班牙龐培法布拉大學(xué)Alfonso Martinez-Arias教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)王小龍教授合作（李杰、李杰、曹靜、尚申申為該論文共同第一作者），在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Modeling late gastrulation in stem-cell derived monkey embryo models 的研究論文【4】。

該研究首次利用干細(xì)胞類胚胎模型，實現(xiàn)了體外模擬靈長類晚期原腸運(yùn)動發(fā)育過程，并重現(xiàn)原腸運(yùn)動階段的關(guān)鍵發(fā)育事件，為深入理解靈長類早期胚胎發(fā)育機(jī)制，及發(fā)育異常引起的早發(fā)流產(chǎn)和出生缺陷提供了強(qiáng)大的創(chuàng)新研究范式。

著名發(fā)育生物學(xué)家劉易斯?沃伯特（Lewis Wolpert）曾指出，人一生中最重要的時刻不是結(jié)婚、出生或死亡，而是原腸胚的形成。生命最初的“形態(tài)構(gòu)建”——原腸運(yùn)動，是胚胎發(fā)育中最關(guān)鍵也最神秘的階段之一。在此期間，著床后的囊胚細(xì)胞團(tuán)經(jīng)歷劇烈的細(xì)胞命運(yùn)分化、位置遷移與形態(tài)發(fā)生，形成內(nèi)、中、外三個胚層，從而奠定胎兒所有組織器官發(fā)育分化的基礎(chǔ)。人類孕育過程中多數(shù)早期流產(chǎn)與嚴(yán)重出生缺陷源于此階段的異常。

然而，由于該階段體內(nèi)胚胎獲取困難、體外胚胎培養(yǎng)的技術(shù)瓶頸以及嚴(yán)格的“14 天”倫理限制，導(dǎo)致領(lǐng)域內(nèi)對于靈長類原腸運(yùn)動這一“黑匣子”的發(fā)生規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制研究尚處于起步階段。

類胚胎模型，是指近年來利用多能干細(xì)胞在體外進(jìn)行誘導(dǎo)和組裝而獲得的一類可以高度模擬正常胚胎形態(tài)發(fā)生、譜系組成和基因表達(dá)特征的胚胎結(jié)構(gòu)。相較于利用正常胚胎開展研究，類胚胎模型具有方便獲取、易于基因操作、倫理爭議少等優(yōu)勢，這為深入理解和研究靈長類著床后原腸運(yùn)動提供了重要契機(jī)。目前，小鼠干細(xì)胞來源的類胚胎已經(jīng)能在體外培養(yǎng)發(fā)育至早期器官發(fā)生階段。盡管全世界各地多個研究團(tuán)隊嘗試?yán)萌硕嗄芨杉?xì)胞開展類似研究，但尚未有研究報道利用人干細(xì)胞類胚胎模型實現(xiàn)原腸運(yùn)動的完整模擬。

已有研究表明，干細(xì)胞多向發(fā)育潛能的高效維持和穩(wěn)定培養(yǎng)是類胚胎模型誘導(dǎo)的關(guān)鍵。劉真研究員專注于靈長類胚胎發(fā)育、干細(xì)胞和模型構(gòu)建研究。

2023 年，劉真團(tuán)隊針對靈長類多能干細(xì)胞發(fā)育潛能展開系統(tǒng)研究，與合作者首次獲得高比例胚胎干細(xì)胞來源的嵌合體猴（Cell，2023）。在此基礎(chǔ)之上，劉真團(tuán)隊與合作者成功利用猴胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)獲得了猴“類囊胚”結(jié)構(gòu)，并證明獲得的類囊胚結(jié)構(gòu)具有體外發(fā)育至早期原腸胚階段（Day 17）的發(fā)育潛能（Cell Stem Cell，2023），但當(dāng)時的研究中類囊胚體外培養(yǎng)發(fā)育效率較低，未能真正突破原腸運(yùn)動階段。

在這項新研究中，研究團(tuán)隊首次利用干細(xì)胞類胚胎模型，完整模擬了靈長類晚期原腸運(yùn)動發(fā)育過程，并體外重現(xiàn)原腸運(yùn)動階段的關(guān)鍵發(fā)育事件。研究團(tuán)隊首先對類囊胚的誘導(dǎo)流程和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了系列改進(jìn)，高效穩(wěn)定誘導(dǎo)猴干細(xì)胞類囊胚結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，通過將原先的體外培養(yǎng)系統(tǒng)從 2D 培養(yǎng)改進(jìn)到 3D 懸浮培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞來源的猴類囊胚可以高效、穩(wěn)健地發(fā)育至 Day 17 早期原腸期胚胎（從之前的 4% 提升到 40% 左右），這為進(jìn)一步開展胚胎培養(yǎng)并改進(jìn)培養(yǎng)參數(shù)提供了可能。該體系能夠連續(xù)模擬靈長類囊胚早期著床后（D11）到早期原腸胚階段（D17）的胚胎動態(tài)發(fā)育過程，形成由上胚層（Epiblast）、羊膜腔（Amnion cavity）和卵黃囊腔 （Yolk sac cavity）構(gòu)成的靈長類早期原腸胚階段典型雙層胚盤樣結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊測試了不同培養(yǎng)條件促進(jìn) Day17 猴干細(xì)胞類胚胎進(jìn)一步發(fā)育的效果，發(fā)現(xiàn)在特定時間加入梯度濃度胎牛血清可以促進(jìn)胚盤進(jìn)一步發(fā)育至 Day25，同時保持胚盤結(jié)構(gòu)的清晰和持續(xù)發(fā)育，包括 Day20 時期的顯著的胚盤拉長和 Day23 時期的胚盤彎曲等典型的形態(tài)變化過程（圖1a-c），類似天然胚胎的卡內(nèi)基第 8-9 階段（CS8-9），即原腸運(yùn)動的晚期及早期器官發(fā)生的起點。通過進(jìn)一步的組織形態(tài)學(xué)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組特征鑒定，這些體外培養(yǎng)的“猴類胚胎”在形態(tài)和細(xì)胞組成上，與相應(yīng)發(fā)育階段的天然猴胚胎高度相似（圖1d）。它們不僅能模擬靈長類早期原腸胚期間前后軸、原條、羊膜腔和卵黃囊腔等典型結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生，更重現(xiàn)了原腸運(yùn)動后期的多個關(guān)鍵發(fā)育事件，包括神經(jīng)板（Neural plate，NP）的形成和早期神經(jīng)褶樣結(jié)構(gòu)（Neural groove，NG）的出現(xiàn)（圖1e-f），揭示了靈長類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的最初“藍(lán)圖”；新生中胚層（Nas.Meso）、側(cè)板中胚層（Lateral plate mesoderm）以及心臟中胚層（Cardi.Meso）等高級中胚層譜系的分化和早期卵黃囊造血系統(tǒng)的發(fā)育。猴類胚胎在卵黃囊樣結(jié)構(gòu)中啟動了原始造血，產(chǎn)生了包括內(nèi)皮細(xì)胞、造血祖細(xì)胞以及紅細(xì)胞在內(nèi)的多種血液細(xì)胞；定型內(nèi)胚層（Definitive endoderm，DE）的分化，形成了前腸 （Foregut）和后腸（Hindgut）的原始結(jié)構(gòu)，以及尿囊等，為消化、呼吸等多種器官的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)；成功特化了原始生殖樣細(xì)胞（Primordial germ cell-like cells，PGCLC），并追蹤了其從羊膜向胚胎后部遷移的路徑，高度模擬靈長類 PGC 細(xì)胞體內(nèi)動態(tài)發(fā)育的過程。全面的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析證實，這些類胚胎內(nèi)部的細(xì)胞類型、基因表達(dá)譜以及細(xì)胞分化路徑，與同期的自然胚胎高度吻合（圖1g-h），從分子層面證明了該模型的可靠性。

圖1. (a) 猴類胚胎發(fā)育至第25天（D25）的三維懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖。(b) D17至D25猴類胚胎明場圖。(c) D17至D25期間猴類胚胎發(fā)育效率統(tǒng)計。(d) E18和E19階段天然猴胚胎（上）及D18、D19猴類胚胎（下）的對比。(e) 猴類胚胎在第22天（D22）和第25天（D25）的H&E染色圖像。(f) D17-D25階段猴類胚胎的3D重構(gòu)圖。(g) UMAP展示猴類胚胎所有細(xì)胞類型的分布。(h)猴類胚胎與CS8-9階段天然猴胚胎的單細(xì)胞整合分析。

為進(jìn)一步驗證該模型的實用性和可靠性，研究團(tuán)隊利用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)，構(gòu)建了

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總的來說，該工作創(chuàng)建了首個在體外完整模擬靈長類原腸運(yùn)動至早期器官發(fā)生的干細(xì)胞類胚胎模型，它涵蓋了從囊胚到原腸運(yùn)動完成中的的多個重要事件。未來，該模型可以直觀地“看到”靈長類生命早期構(gòu)建的過程，并深入解析其譜系發(fā)生規(guī)律和背后的調(diào)控機(jī)制，此外，也提供了一個可以進(jìn)行遺傳操作和高效篩選的強(qiáng)大工具，用以研究發(fā)育疾病的根源并進(jìn)行相關(guān)藥物的胚胎安全性測試。

值得一提的是，Nature期刊同期發(fā)表了題為：Primate embryo model leaps across developmental boundaries 評論文章，文章指出，該模型高度復(fù)刻了靈長類胚胎前三周的關(guān)鍵發(fā)育事件，首次提供了一個能連續(xù)觀察受孕后大約 6-22 天的早期靈長類發(fā)育過程的胚胎模型，使得體外按順序分析靈長類早期胚胎發(fā)生的動態(tài)復(fù)雜過程成為可能。

論文鏈接：

1. https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(18)30057-6

2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01087-5

3. https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01470-3

4. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09831-0