这是生命中最具决定性的时刻之一——胚胎发育中的关键一步，此时一个模糊的细胞球重新排列成有序的三层结构，为所有的未来奠定了基础。这一关键过程被称为原肠胚形成，在人类发育的第三周展开。 “原肠胚形成是我们个体化的起源，是我们轴的出现，”洛克菲勒的 阿里·布里万卢(Ali Brivanlou)说。 “这是我们第一次从头到尾分开的时刻。”

观察这一关键事件的分子基础将有助于科学家预防流产和发育障碍。但研究人类原肠胚形成已被证明在技术上困难且在伦理上复杂，因此目前的方法在扩大我们对早期人类发展的理解方面取得的成功有限。现在，Brivanlou 和他的同事已经证明了一种称为胚细胞的干细胞模型系统如何能够在植入前胚胎外细胞类型存在的情况下研究人类原肠胚形成的细微差别。他们的研究发表在 《干细胞报告》上，描述了这个新平台的科学和临床潜力。

“原肠胚形成是一个巨大的黑匣子。我们从未见过那个阶段的自己，”布里万卢说。 “这让我们更加了解我们是如何开始的。”

更好的囊胚

植入前，胚胎是一个由约 250 个细胞组成的球体，组织为囊胚。这种难以捉摸的细胞球很难直接研究，因此科学家们开发了胚泡——基于干细胞的囊胚模型。胚泡可以被克隆、实验操作和编程，使科学家能够一遍又一遍地研究相同的胚泡。

问题是胚泡是否可以在体外形成原肠胚。与体内的囊胚不同，囊胚在子宫内滚动直至附着在母体组织上，而囊胚擅长模拟产生生命的细胞球，但目前尚不清楚这种体外模型是否可以模拟人类发育的后期阶段。也就是说，直到 Brivanlou 开发了一个平台，允许胚泡在体外附着，从而进展为原肠胚形成。

Brivanlou 实验室的研究员、该研究的主要作者 Riccardo De Santis 表示：“我们首次以高分子分辨率观察到以 BRA 表达为标志的外胚层对称性破坏。” “这使我们能够开始询问有关生命最早时刻的更详细的问题。”

凭借这种前所未有的清晰度，研究小组直接观察到原肠胚形成的两个关键时刻：第一个外胚层对称性破坏事件以及体外附着时原条和中胚层分子标记的出现。

原条是一种标志着原肠胚形成开始的结构，为胚胎的三个主要层奠定了基础。其中一层是中胚层，在原肠胚形成期间形成，并产生肌肉、骨骼和循环系统。研究小组发现，早在附着后 7 天，他们就已经能够使用分子标记来检测新生原条和中胚层细胞的最早特征。

为了证实他们的发现，研究小组还将母细胞结果与体外附着的人类胚胎的数据进行了比较，并证明母细胞在体外表达的基因与正常胚胎在体内该阶段表达的基因相同，这有力地证明了母细胞的力量人类胚胎发育模型。进一步强调了实验室体外附着胚层系统的力量，该团队随后用它来证明调节体内原条和中胚层上升的途径也能在体外调节胚层对称性破坏——除了干细胞之外什么都没有——衍生的母细胞模型。

在此过程中，研究小组还证明，体外原肠胚形成可以在第 12 天开始，比之前​​想象的要早。 “这将改变教科书，”布里万卢说。 “我们为重新定义体外附着时原肠胚形成的分子特征和时间做出了贡献”。

治疗的可能性

结果表明，当与 Brivanlou 实验室独特的附着平台相结合时，胚泡现在能够传达长期以来无法获得的早期人类发育的见解。 De Santis 展望了未来，基于母细胞的研究将在诊断和治疗发育障碍方面取得进展，或者提供对原肠胚形成过程中早期流产的潜在原因的见解。

“许多夫妇无法生育，因为胚胎无法正常附着，许多流产发生在怀孕的最初几周，”德桑蒂斯解释道。 “我们现在有了一个模型系统，可以帮助我们了解决定妊娠是否成功的分子机制。”在不久的将来，德桑蒂斯希望将这种方法与机器学习相结合，通过观察具有特定基因组成的模型胚泡在体外的表现来帮助预测妊娠结局和发育障碍的轨迹。

“更好地理解原肠胚形成，以及使用可靠的模型系统研究它的能力，影响着从胎儿存活到自闭症再到神经退行性疾病的一切。”