研究人员首次成功利用干细胞模型从单一干细胞群体重构出类似人类早期胚胎的结构，该结构包含类似卵黄囊的组织，且无需直接进行基因操作。
该模型由密歇根大学工程学院研发。中国科学院的研究人员提供了猴子胚胎数据，帮助确认密歇根团队在模型中观察到的确实是类似卵黄囊的结构。
"根据人类发育的经典认知，卵黄囊应该来自下胚层细胞。我们知道我们的系统无法产生下胚层细胞或其衍生物，所以我们原本认为不可能看到卵黄囊结构，"密歇根大学机械工程教授、《自然·细胞生物学》论文通讯作者付建平说道。
胚胎学家已经捕捉到人类发育大多数阶段的静态图像，但这些图像无法解答人类发育中的许多问题：早期人类胚胎中不同细胞和组织是如何形成的？哪些信号分子在起作用？哪些基因在人类早期发育中至关重要？为什么这么多潜在妊娠在受精后几周内就终止了？
为了更好地理解人类发育并帮助更多家庭拥有健康的妊娠，研究人员正在开发这些早期发育阶段的干细胞模型。本研究主要由密歇根大学资助。
利用机械约束研究原肠形成
在人类发育的干细胞模型中，卵黄囊一直难以复制。早期胚胎在胎盘建设期间会建立这种能量储备。卵黄囊也是形成人体第一个血液循环系统的器官。在干细胞模型中产生类似卵黄囊结构的实验室通常通过基因操作迫使细胞沿着这一路径发展。
付建平团队以利用机械信号引导人类多能干细胞形成类似胚胎的发育而闻名。这种干细胞模拟上胚层细胞，即能够成为体内任何组织的基础细胞。这一次，付教授及其团队试图重现原肠形成过程，在此过程中，胚胎中的上胚层细胞开始组织成身体的基本结构并产生主要器官原基。
研究团队将人类多能干细胞排列成单层，形成直径为0.8毫米的圆盘。在原肠形成开始时，人类胚胎中的上胚层形成大小大致相同的圆盘。
"我们方法中第一个重要步骤是为干细胞建立初始几何约束。这种圆形图案提供了几何约束，促进细胞相互作用和自我组织。"
密歇根大学机械工程博士生、该研究的第一作者孙世宇说道
为了启动原肠形成，研究团队让细胞暴露于一种名为BMP-4的信号分子中。该分子通常由在正常人类发育过程中包围胚胎的一层细胞产生，但在该模型的初始状态下缺失。孙世宇指出，细胞培养基中还存在其他信号分子，这些分子也有助于引导细胞转化为不同类型。这个过程称为分化。
干细胞"超额"表现，产生类似卵黄囊的结构
研究团队希望看到该圆盘变成三层厚，每层具有不同的细胞类型，大致对应于外体和神经系统、肠道以及中间组织的前体。在胚胎中，这始于"原条"的形成，这是一种帮助建立身体头尾轴的结构。
在模型中，开始发出原条信号的细胞并未排列成线状。相反，细胞似乎形成了同心圆，然后排列成三层圆盘。
这不仅仅是圆盘的变化。在顶部，即外体和神经系统前体形成的地方，出现了一个由羊膜细胞排列的腔室——类似于羊膜囊的开始。在肠道侧，则出现了类似卵黄囊的结构。
"发现这些类似卵黄囊的结构相当令人惊讶，"孙世宇说。"起初，我并不认为这是卵黄囊。"
卵黄囊被认为起源于下胚层细胞，这是一组通常与上胚层细胞并存而非从中衍生的细胞。直到现在，研究人员还不知道在原肠形成过程中，上胚层细胞有多余的选择，能够构建胚胎外的结构。
随着这些腔室开始形成，3D细胞培养物从培养板上脱离。细胞最初继续以类似胚胎的方式发育，但随后开始偏离，变得越来越无序。与人类胚胎的相似性在细胞培养的第8天达到峰值，模拟了受精后约16-21天的人类发育。研究人员表示，约15%-20%的培养物形成了这些结构，具体取决于细胞系，与类似模型相比效率相当高。
确认卵黄囊的观察
由于这种发育水平超过了培养人类胚胎的14天规则，密歇根团队依靠在中国的同事，他们能够获取植入后猴子胚胎，以确认其模型中的发现。他们共同确定了卵黄囊发育的明确标志物：HNF4A基因的激活，该基因也与肝脏、肾脏和肠道的发育相关。
研究团队使用谱系追踪来识别将上胚层细胞转化为卵黄囊细胞的途径，发现它们确实通过原肠形成产生。他们通过将一段在原肠形成期间激活的基因的遗传密码拼接到细胞中，使细胞产生荧光绿色蛋白来实现这一点。
虽然这些模型对于展示人类发育的某些动态很有用，但它们无法进一步生长。即使在组织最完善的阶段，身体计划的三层也比正常情况更厚。此外，该模型缺乏形成胎盘的滋养层细胞。
带有微图案圆圈的培养板是在Lurie纳米制造设施中制作的。干细胞模型的分析依赖于密歇根医学显微镜核心、密歇根骨科研究实验室组织学核心、密歇根高级基因组学核心和密歇根流式细胞术核心。这些设施部分由联邦拨款中的间接成本分配支持。
该团队已在密歇根大学创新合作伙伴关系的协助下申请专利保护，并正在寻求合作伙伴将该技术推向市场。
付建平同时也是细胞和发育生物学以及生物医学工程教授。
来源：
密歇根大学
期刊参考：
Sun, S., et al. (2026). A transgene-free, human peri-gastrulation embryo model presents trilaminar embryonic disc-, amnion- and yolk sac-like structures. Nature Cell Biology. DOI: 10.1038/s41556-026-01930-y
【全文结束】
