Cell丨建立首个模拟人类胚胎外发育的3D模型

摘要：羊膜作为哺乳动物胚胎发育中关键的胚胎外组织，在胚胎保护、机械支撑及信号传递中发挥重要作用。然而，由于人类胚胎研究面临的技术与伦理限制，尤其是植入后阶段胚胎获取的困难，羊膜形成的分子机制及其功能研究长期受限。现有体外模型（如 2D培养或早期3D囊状结构）无法准确

撰文丨亦

羊膜作为哺乳动物胚胎发育中关键的胚胎外组织，在胚胎保护、机械支撑及信号传递中发挥重要作用。然而，由于人类胚胎研究面临的技术与伦理限制，尤其是植入后阶段胚胎获取的困难，羊膜形成的分子机制及其功能研究长期受限。现有体外模型（如 2D培养或早期3D囊状结构）无法准确模拟羊膜囊的双层结构（羊膜外胚层与中胚层）及功能特性。因此，亟需开发一种高保真、可扩展的模型，以重现人类胚胎外发育的复杂过程。

近日，来自英国弗朗西斯·克里克研究所的Borzo Gharibi和Silvia D. M. Santos团队在Nature上发表了一篇题为Post-gastrulation amnioids as a stem cell-derived model of human extra-embryonic development的文章，成功构建了名为“后原肠胚期羊膜类器官”（ Post-gastrulation amnioids, PGAs）的胚胎干细胞 3D模型。

研究者首先进行模型构建，他们使用 H1人胚胎干细胞（hESCs），通过时序刺激（BMP4诱导羊膜外胚层，CHIR99021激活Wnt信号诱导中胚层），在无外源基质条件下自组织形成PGAs。经过 3D培养14天后，羊膜囊直径可达1.5 cm，并稳定维持3个月以上，且组织结构和形态特征与真实羊膜高度一致。

随后，研究者对建立的P GAs 进行单细胞多组学分析，发现在细胞类型、蛋白组和代谢组多个层面上，P GAs 都很好地模拟了人类羊膜囊。他们先使用 scRNA-seq解析PGAs发育过程中的细胞类型，轨迹推断显示细胞从外胚层向羊膜及中胚层分化。而后利用蛋白质组学比较羊膜液内外成分，发现 2,915种蛋白质，其中 2,370 种为羊膜液特有， 1,245种功能蛋白（如HGF、TGFβ2）为与人类羊膜液共享。随后利用代谢组学鉴定羊膜液中 3′- 腺苷单磷酸、肌醇等代谢物，这揭示羊膜可能参与叶酸代谢调控。以上提示P GAs 模型具备营养运输和代谢调控功能。

进一步地，研究者进行了分子机制的探索，他们发现 siRNA敲除GATA3 会导致羊膜结构缺失，而CRISPRa激活GATA3可在无外源信号下诱导羊膜生成，这说明 GATA3 对于羊膜生成非常重要。而阻断信号通路，如抑制 BMP（LDN193189）或Wnt（XAV939）信号后，hESCs无法响应胚胎外中胚层的诱导信号，羊膜形成会受阻，提示 BMP 和 Wnt 信号通路驱动羊膜分化。

最后作者对P GAs 模型进行了跨物种整合，通过 scmap算法将PGAs的scRNA-seq 数据与食蟹猴及人类胚胎数据比对，发现三者的细胞类型转录组高度相似，验证了细胞类型的生物学相关性。

总的来说， PGAs是首个能够模拟人类胚胎外发育至4周阶段的3D模型，填补了技术空白，突破了现有模型仅能模拟原肠胚早期（13-14天）的限制，为研究羊膜生成、卵黄囊发育及胚胎-羊膜互作提供了全新平台。该研究还首次明确 GATA3在羊膜生成中的核心作用，并揭示BMP/Wnt信号的级联调控网络，为理解胚胎外组织发育的分子基础提供关键证据。在疾病建模、药物开发和再生医学上都具有巨大应用潜力。

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