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离谱了!不用精子、卵子、子宫,科学家培育出小鼠胚胎!

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没有子宫,胚胎可以生长发育吗?
  也不是不行。
  魏茨曼科学研究所的Jacob H.Hanna教授和他的研究团队做了一个“机器子宫”,成功地让小鼠胚胎在里面发育了6天,经历了原肠胚前期到器官发生晚期的关键阶段。这项研究成果于2021年3月发表在顶级期刊《自然》上。

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  那如果没有精子和卵子,可以有胚胎吗?
  也不是不行。
  还是Jacob H.Hanna教授和他的研究团队,他们直接用小鼠的原始态胚胎干细胞(ESCs)构建了胚胎模型,将其在体外的“机器子宫”中培养8天,可以观察到胚胎完成了原肠胚的形成以及大脑、神经管、心脏等重要器官的特异性祖细胞分化,与自然生长发育的胚胎在形态和基因表达上都极其相似。
  这项令人瞩目的研究成果同样发表在顶级期刊《细胞》上。
  说一句科学家们有“无中生有”的超能力,应该不夸张吧?

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  在正式开始“无中生有”之前,我们先来回忆一下Jacob H.Hanna教授做的这个“机器子宫”。这是一个能够让小鼠胚胎实现宫外培养的机械平台,Jacob H.Hanna教授和他的研究团队探索了小鼠胚胎在其中生长发育的最佳条件。
  原肠胚阶段需要静态培养和旋转培养相结合,而原肠胚晚期则需要完全在旋转培养中度过。静态或旋转培养的同时还要模拟自然子宫的营养供应,同时严格控制氧气和压力等参数。小鼠胚胎的发育程度大约相当于自然胚胎的第5.5天到第11天(小鼠自然妊娠时间一般为20天),完成了从原肠胚形成前到后肢形成阶段的生长发育过程。

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  小鼠胚胎体外培养系统
  其实一直以来,人类一直在试图还原胚胎的生长发育过程。科学家们已经能够将成熟细胞重编程为胚胎干细胞,但是想要干细胞分化成高度特异性的器官,或者获得一个正常功能的胚胎,就成了绊住科学家们多年的大难题。
  在成功研究出体外培养小鼠胚胎的“机器子宫”后,Jacob H.Hanna教授认为,是时候对这个难题进行挑战了。

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  实验的最开始,研究人员就没有打自然胚胎细胞的主意。原始态胚胎干细胞(ESC)可以诱导分化为滋养层干细胞(TSC)和原始内胚层细胞(PrE),所以从理论上讲,原始态胚胎干细胞可以成为胚胎和胚外组织的全部来源。只要方法得当,或许可以只需要将原始态胚胎干细胞进行体外培养,就可以合成一个完整胚胎。
  通过过表达相关基因,研究人员使原始态胚胎干细胞可以分别优先分化为滋养层干细胞或原始内胚层细胞。之后,将经过预处理的三组细胞(优先TSC、优先PrE和ESC)以一定的比例放入聚合基质,这项伟大的“无中生有”工程,就正式开始了。

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  合成胚胎体外培养示意图
  丨混合培养第3天
  细胞由聚合基质转移至培养板,放入组织培养箱中摇床培养。
  可以观察到细胞数量增加,三组细胞聚集成细长的胚胎形状,形成明显的外层细胞层。
  丨混合培养第4天
  细胞团出现明显的外胚层和胚外胚层,与自然胚胎生长5.5天时类似。
  丨混合培养第5天
  细胞团形成卵圆柱状,转移至“机器子宫”中旋转培养。
  合成胚胎出现逐渐扩大的前期羊膜腔和早期的原始条纹,成功打破胚胎对称性,与自然胚胎生长6.5天时类似。

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  内胚层、滋养层、外胚层和原肠标记物与匹配的E6.5自然胚胎比较的免疫荧光图像
  丨混合培养第6天
  合成胚胎进入神经板期,神经板开始生成。产生羊膜、羊膜腔以及胚外体腔,可以观察到早期尿囊芽。

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  胚胎中线
  丨混合培养第7天
  卵黄囊围绕胚胎发生扩张,出现明显的头尾轴。原始条纹发生明显迁移,出现明显的心脏区域,与自然胚胎生长8天时类似。
  丨混合培养第8天
  卵黄囊外侧可见血岛,卵黄囊内部开始血液循环。合成胚胎出现明显的大脑褶皱、神经管、肠道、心脏和尾部,甚至可以观察到心脏跳动。与自然胚胎生长8.5天时高度相似。
  合成胚胎不仅在单细胞水平上展现了特异性的细胞分化,这些早期器官的细胞转录也与自然胚胎高度相似,中胚层、脊索、神经管、心脏等组织的标志物均在相应组织中特异表达。

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  培养第8天与自然胚胎第8.5天对比
  Jacob H.Hanna教授“无中生有”的壮举就到此为止了。当然,他对之后的研究发展信心满满。
  由于胚胎的体外培养装置是透明的,他们或许可以轻松观察到这些胚胎细胞是如何准确找到自己的位置、把自己组装成完整器官的。而合成胚胎或许在将来可以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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