100多年来，研究人员一直努力尝试在实验室中体外培养哺乳动物胚胎，研究将受精卵转化为成熟有机体的奥秘和因素。

最近，两个研究团队分别在《自然》和《细胞》杂志上发表研究成果。研究人员利用细胞培养技术和干细胞生物学技术在体外成功培养了类似小鼠胚胎结构的组织。值得注意的是，整个过程不需要精子，卵子或子宫。

这些“胚胎”发育到相当于小鼠妊娠中期的阶段，标志着我们人类研究早期哺乳动物胚胎发育取得了突破性的进展。

体外培育过程

在体内胚胎发育的第一步，受精卵经历过多次细胞分裂。然后，受精卵发育成一个称为囊胚的空心细胞球，随后植入子宫壁。

囊胚包含三种细胞类型 ： 产生胚胎的外胚层，滋养外胚层和原始内胚层。

从囊胚中分离出的小鼠胚胎干细胞（mESCs）可以在培养物中培养并诱导分化产生特定的细胞谱系。

然而，理论上单独的mESCs不能在体外产生完整的胚胎，同时培养囊胚中所有三种细胞类型才能促进mESCs发育为胚胎。

a，在发育早期，哺乳动物胚胎形成一种称为囊胚的结构，该结构包含三种细胞类型：滋养外胚层和原始内胚层，它们为发育中的胚胎提供支持，以及表胚层细胞，它们将产生胚胎。

b、两组2,3除了小鼠胚胎干细胞（mESCs）外，现在已经在体外培养了滋养外胚层样和原始内胚层样细胞，它们具有产生胚胎细胞类型的能力。

研究人员在培养井中聚集并混合细胞。这些细胞具有先天自组织的原则，与优化的培养基一起，使它们在三天后形成一种称为卵缸的结构。经过五天的培养和使用旋转培养室，“胚胎”发育，生长到类似于妊娠中期小鼠胚胎。

研究中，两个研究团队都培养了mESC以及一个短暂过表达Gata4的mESC谱系。Gata4是一种特定于原始内胚层的转录因子。

为了供应滋养外胚层，一个研究团队添加了一种类似于滋养外胚层的细胞系，而另一个团队在mESC中短暂地过表达滋养外胚层特异性转录因子Cdx2。

接着，研究人员在优化的培养基中继续培养，同时使用旋转室进行动态培养，使胚状体能够比以前进一步发育。这些结构类似于已经发育了8.5天的小鼠胚胎（称为E8.5的阶段）。

E8.5胚胎的表征

两组都使用单细胞RNA测序和详细的细胞图谱来对胚芽发育进行基准测试，表明生长在器官分化的初始阶段停止。

对组织和细胞标记物的进一步分析表明，胚胎发育中的组织以与体内对应物相似的方式组织。

例如，小鼠胚胎包含类似于原始肠道的结构，跳动的心脏和双侧配对的somites，这些结构会产生肋骨和骨骼肌。

研究小组还确定了类似于前脑，中脑和脊髓前体的结构，尽管神经发育尚未开始。

胚胎模型的应用价值

然后，两个研究团队各自进行实验，证明该胚胎模型的应用价值。

Amadei等人从干细胞中产生小鼠胚状体，其中Pax6（一种参与大脑和眼睛发育的基因）10） 已敲除。这些类胚表现出与体内生长的Pax6缺陷胚胎相似的缺陷，表明类胚可用于研究基因性状关系。

Tarazi等人从干细胞系中生长出胚胎，其中原始生殖细胞（将成为精子或卵子）发出荧光，以确定其发生的时间和位置。

小鼠胚胎的发育是以前模拟植入后离体发育的努力的重大进步。小鼠胚胎学家将来可用于研究环境因素和遗传异常如何导致妊娠失败。

此外，将胚胎模型与体内胚胎进行比较将揭示依赖于胎盘或其他外在发育线索的母体影响的发育方面。

胚胎模型的应用限制

然而，一些限制可能会阻止将胚胎用于最直接的研究和治疗问题。

失败率非常高 ：小组估计只有不到1%的起始细胞簇成功发育成胚芽。

Tarazi等人表明，一些mESC系产生的胚状体在培养物中不能发育超过六天，这表明胚芽发育取决于起始细胞的状态。

此外，胚芽在大小和形状上差异很大。重要的是，两个研究团队都指出，E8.5之后缺乏发育，阻碍了对大多数器官和神经组织发育的研究。

如何克服这些限制

优化起始细胞群和培养条件将是克服这些限制的关键。

例如，胚状培养基含有来自大鼠和人脐带血液的血清;这些血清的特征很差，并且在批次之间可能有所不同，这可能对胚胎发育产生重大影响。

二氧化碳和氧气在培养基中的混合、控制和加压方式的变化，以及对动态培养条件的调整，可能允许更长的体外生长，因为这些因素已被假设为能够正常发育。

掺入其他细胞成分，如干细胞衍生的胎盘细胞类型，可以延长胚发育并减少变异性。

展望

值得强调的是，这些不是实际的小鼠胚胎，而是早期小鼠胚胎发育的干细胞衍生模型。国际干细胞研究学会（ISSCR）普遍不鼓励将“合成胚胎”等术语用于基于细胞的发育模型。

需要围绕统一命名法达成共识，以准确地向科学家和公众表示基于胚胎的方法，就像目前对其他基于细胞的发育模型所做的那样。

最终，研究人员将希望将这些发现应用于人类干细胞。

人类胚胎的较大尺寸可能意味着胚胎比小鼠胚胎更严重地依赖于胎盘和血管系统 ，这些特性可能固有地限制体外发育，这取决于营养和气体交换的扩散。

由于人类发育需要几倍的时间才能达到相当于E8.5的阶段，因此将人类胚胎产生到晚期将更加昂贵且可行性较低。

人类细胞的使用带来了独特的伦理挑战。ISSCR更新了其指导方针，以平衡伦理问题与更多研究的需求。

例如，将人类胚胎的体外研究限制在发育的前两周的“14天规则”已被监督指南所取代。在进行人类胚胎学实验之前，需要重新审视将人类干细胞用于胚芽研究的具体同意以及其他法律问题。

目前的研究将小鼠干细胞生物学提升到一个新的水平。接下来的前沿领域将是推动小鼠胚胎体外发育的极限并将这些发现应用于人类细胞 。

这些领域的进展将促进我们对人类胚胎发育的理解，提高我们从干细胞中产生与疾病相关的细胞类型的能力，并确定影响怀孕的因素。