安娜堡——密歇根大学开发的一种新型干细胞培养方法，能够模拟人类胚胎植入子宫后的早期发育阶段，有望帮助科学家探究母婴健康领域的重要问题：哪些化学物质会危害胚胎发育？哪些因素导致特定出生缺陷或反复流产？
这项技术重现了胚胎发育初期的关键阶段，包括羊膜囊形成以及将发育为胎儿的干细胞首次组织化的过程。此类胚胎样或"胚状体"结构仅能形成微小细胞群落，无法进一步发育成完整胚胎。该系统可稳定生成数百至数千个胚状体结构，为评估药物在妊娠极早期对孕妇的安全性提供实验基础。研究团队在实验第四天结束时终止了实验。
研究人员阅读发表于《自然》杂志的论文："利用干细胞控制模拟人类上胚层和羊膜发育"
研究内容：模拟早期胚胎发育阶段
由机械工程副教授付建平领导的工程师与生物学家团队，成功引导干细胞组织并模拟胚胎发育的部分过程。他们开发出三种模型：
- 上胚层模型：包含将发育为胎儿主体的大部分干细胞群落。
- 羊膜囊与后部上胚层模型：模拟上胚层初步分化后的羊膜囊形成及后端结构。在真实胚胎中，这些后端细胞将发育为胎儿下部。
- 羊膜囊与前部上胚层模型：以上胚层前端（此阶段仅通过后端细胞缺失标识）和羊膜囊起始结构为特征。真实胚胎中，这些细胞将形成包含头部和中段的胎儿上部。
第2、3号胚状体模型仅包含真实胚胎部分上胚层细胞：后部模型不含前部细胞，反之亦然。
研究意义：解答药物安全与不孕症关键问题
付建平表示："我们模拟胚胎的干细胞结构有助于填补人类早期发育知识的关键空白，这将带来诸多益处。该研究为我们打开了一扇窗口，得以观察受孕后2至4周这个 pivotal（关键）却难以观测的时期——此时易发生严重流产和出生缺陷，科学家甚至发现晚发性疾病与早期发育存在关联。若要开发预防措施，我们必须更深入了解这些过程。"
付建平与机械工程研究员郑毅正在检查实验室研发的微流控芯片。图片来源：密歇根大学工程学院付实验室
目前关于人类发育最准确的认知源于有限的大型动物研究或完整人类胚胎实验，但这类方法难以大规模应用于化学物质及药物筛查。付建平指出，新系统已准备好用于妊娠早期药物安全性筛查。他强调："我们对药物如何影响胚胎发育的认知匮乏，已成为严峻的公共卫生问题。"
美国疾病控制与预防中心引用的一项研究显示，在孕妇孕早期最常使用的54种药物中，63%仅有"极有限至一般"风险数据，仅4%具备"良好至优异"数据。若该研究持续深入，未来或可揭示某些出生缺陷（如致死性无脑畸形、导致严重残疾的脊柱裂）以及每年影响4万新生儿的先天性心脏病的成因。
由于该系统可使用重编程成人细胞（以及胚胎干细胞），还可能为不孕症研究提供新视角。目前30%寻求生育治疗的夫妇无法获得不孕原因的明确解释。付建平表示："这项工作提供了可控且可扩展的实验平台，用于探究人类发育与生殖相关的重要问题。我们的发现证明，人类发育与其他哺乳动物存在显著差异，涉及不同的信号通路。因此，这是目前无需使用完整人类胚胎即可准确研究人类发育的唯一途径。"
技术实现：微流控系统引导干细胞自组织
研究团队在含三条通道的可扩展微流控系统中培养干细胞。中央通道填充模拟子宫壁的凝胶，两侧分别用于输入干细胞和调控细胞发育的化学信号。
付建平解释："在传统3D培养中，仅不到5%的干细胞簇能形成胚状体结构。而通过该微流控系统精确控制培养环境，我们实现了90%以上的胚状体生成效率。"
干细胞在微流控装置中首先生长为中空球状细胞群，随后如早期胚胎植入子宫壁般钻入凝胶——此阶段构成第一种模型。
为生成第二模型，研究人员输入化学信号，促使球体一侧干细胞转化为羊膜囊细胞，另一侧细胞则长高变细并紧密聚集，形成预期中的上胚层结构。羊膜细胞释放的信号分子进一步引导球体对侧细胞分化为类似上胚层后端的结构，此类模型还开始形成原始生殖细胞（未来将发育为精子和卵子）。
第三模型则通过添加阻断分子实现，这些分子抑制未分化上胚层细胞向后端演化，模拟真实胚胎中的信号机制，从而代表此阶段保持未分化的上胚层前端结构。
本研究获得密歇根大学机械工程学院资助、密歇根-剑桥研究计划、密歇根大学Mcubed基金、美国国立卫生研究院及加州再生医学研究所支持。合作者包括密歇根大学细胞与发育生物学荣休教授黛博拉·古穆西奥，以及加州大学旧金山分校的约翰森·拉金斯和瓦莱丽·韦弗。
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