第一个合成小鼠胚胎——完整的心脏和大脑——在没有精子、卵子或子宫的情况下创造

这是第一次制造这样的胚胎。

研究人员开发了合成的小鼠胚胎,在生长的第 1 天(左上)和第 8 天(右下)之间,形成了一个跳动的心脏、一个新兴的血液循环、一个大脑、一个神经管和一个肠道。 (图片来源:魏茨曼科学研究所)
研究人员开发了合成的小鼠胚胎,在生长的第 1 天(左上)和第 8 天(右下)之间,形成了一个跳动的心脏、一个新兴的血液循环、一个大脑、一个神经管和一个肠道。 (图片来源:魏茨曼科学研究所)

科学家们第一次在实验室中不使用任何卵子或精子制造了小鼠胚胎,并观察它们在子宫外生长。 为了实现这一壮举,研究人员只使用了干细胞和一个装满闪亮玻璃瓶的旋转装置。

巴塞罗那庞培法布拉大学的发育生物学家阿方索·马丁内斯·阿里亚斯没有参与这项研究,他告诉华盛顿邮报,这项实验是一个“游戏规则改变者”。

“这是我们理解胚胎如何自我构建的一个重要里程碑,”他说。

这项突破性实验在周一(8 月 1 日)发表在《细胞》杂志上的一份报告中进行了描述,该实验发生在一个专门设计的生物反应器中,该生物反应器用作胚胎发育的人造子宫。在该装置内,胚胎漂浮在装有营养溶液的小烧杯中,这些烧杯都被锁定在一个旋转的圆柱体中,使它们保持恒定运动。这种运动模拟血液和营养物质如何流向胎盘。根据进行这项研究的以色列魏茨曼科学研究所的一份声明,该设备还可以复制小鼠子宫的大气压。

在 2021 年《自然》杂志中描述的之前的一项实验中,该团队使用这种生物反应器培养了天然小鼠胚胎,该胚胎在该设备开发的第 11 天完成。 “这确实表明哺乳动物胚胎可以在子宫外生长——与其说是提供营养支持,不如说是对胚胎进行模式化或发送信号,”魏茨曼的胚胎干细胞生物学家、两项研究的资深作者雅各布·汉纳 (Jacob Hanna) 告诉STAT新闻

在天然胚胎取得初步成功后,研究人员想尝试在机械子宫中培养实验室制造的胚胎。

为此,他们对小鼠干细胞进行了化学处理,将它们“重置”为幼稚状态,从这种状态下它们可以转变为任何类型的细胞——心脏、肝脏、大脑或其他细胞。在这些幼稚细胞的一部分中,研究小组应用了额外的处理来开启制造胎盘所需的基因,并在第三组细胞中应用处理来开启制造卵黄囊的基因。 “我们对这两组细胞进行了短暂的推动,以产生维持发育中胚胎的胚胎外组织,”汉娜在声明中说。

然后,科学家们将这三组干细胞放入人造子宫中进行混合和混合。这三种细胞很快聚集在一起形成团块,但 10,000 个细胞团块中只有大约 50 个继续发育成胚胎样结构,而那些只在生物反应器中存活了 8.5 天。

据 STAT News 报道,在这 8.5 天的过程中——或者说是典型小鼠妊娠的近一半——最初的球形胚胎伸展并变成圆柱形,正如自然胚胎所预期的那样。中枢神经系统在第 6 天开始出现,很快就形成了一个皱巴巴的小脑。到第 8 天,胚胎已经发育出肠道和能够推动造血干细胞通过新形成的血管的跳动的小心脏。

研究小组指出,合成胚胎的内部结构和基因结构的形状与天然小鼠胚胎中发现的略有不同。

在后续实验中,研究人员计划研究推动胚胎细胞成为一种组织而不是另一种组织的化学线索。是什么力量推动某些干细胞聚集并形成神经管,而其他干细胞最终分化成排列在肠道内的细胞?

汉娜在声明中说:“我们的下一个挑战是了解干细胞如何知道该做什么——它们如何自我组装成器官并找到通往胚胎内指定位置的途径。” “而且因为我们的系统与子宫不同,它是透明的,它可能对模拟人类胚胎的出生和植入缺陷很有用。”

他说,除了作为研究模型外,人造子宫有朝一日还可以作为为移植手术而生长的细胞、组织和器官的孵化器。

“这只是一步,但对于我们能够研究早期发育来说,这是非常重要的一步,”未参与这项研究的凯斯西储大学医学院发育生物学家 Paul Tesar 告诉 STAT News。 “我们正在进入能够从头开始产生胚胎的领域,并且可能是一个活的有机体。这对于该领域来说是一个非常显着的转变。”

当然,这样的研究伴随着沉重的伦理考虑。

马克斯普朗克分子遗传学研究所的干细胞生物学家亚历克斯迈斯纳告诉华盛顿邮报:“老鼠是思考如何在人类身上解决这个问题的起点。” “没有必要惊慌或引起任何恐慌,但是……据我们所知,重要的是要同时进行讨论:我们想走多远?”

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