Cell Research｜同济大学刘文强/高绍荣/魏珂/王译萱团队利用新型双向潜能干细胞实现小鼠器官发生初期胚胎发育高效模拟
在哺乳动物胚胎早期胚胎发育过程中，桑葚胚经历两次关键的谱系命运决定后，产生外胚层（Epiblast，Epi）、原始内胚层（Primitive Endoderm，PrE）和滋养外胚层（Trophectoderm，TE）最初始三种细胞谱系。胚胎着床后，经过原肠运动产生三胚层结构，进而启动神经和体节等发育，形成心脏等器官原基。胚胎干细胞（ESCs）、胚外内胚层干细胞（XEN）和滋养层干细胞（TSCs）的建立为谱系分化和早期胚胎发育研究提供了极大便利。在此基础上发展的干细胞类胚胎技术，利用细胞自组装能力，体外重现了早期胚胎发育与器官发生的复杂生物学事件，为胚胎发育和疾病机制探究提供了新的范式。然而，目前小鼠原肠后类胚胎的构建需要同时使用胚外和胚内来源的多种干细胞系或依赖转基因方法，其培养体系复杂且效率低下，这严重限制了干细胞类胚胎技术的广泛应用。因此，突破胚外与胚内早期谱系分化的界限，建立能在体外长期稳定维持的新型双向潜能干细胞，并高效地构建原肠后类胚胎模型，将极大地推动该领域的发展。
近日，同济大学高绍荣院士团队与魏珂教授团队在Cell Research在线发表题为“Modeling Post-Gastrula Development via Bidirectional Pluripotent Stem Cells”的研究论文。该研究通过高内涵筛选，成功建立了一种可在体外长期培养的具有胚外-胚内双向分化能力的新型干细胞(Bidirectional Pluripotent Stem Cells, BPSCs)。该类细胞同时表达OCT4和CDX2，能在体外不添加诱导培养基的情况下，高效自发分化为上胚层细胞（Epiblast, Epi）、原始内胚层细胞（Primitive Endoderm, PrE）以及滋养层细胞（Trophoblast， TE）等三类细胞。在使用化学诱导的条件下，单一细胞可实现E8.5-E8.75器官形成阶段胚胎发育的精确模拟。多天体外培养过程后，BPSCs类胚胎逐渐发生卵黄囊血岛、头神经褶发育、神经管形成与闭合、心脏有规律的搏动、体节形成、原始生殖细胞的产生和迁移等多个重要发育事件。免疫荧光与单细胞转录组分析显示，所构建的类胚胎结构在形态结构与细胞组成上与自然胚胎（E8.5-E8.75）高度一致，具备复杂且精细的组织结构。这项工作为再现着床后胚胎发育提供了新的细胞平台。
值得一提的是，研究还验证了该培养系统在人类干细胞中的适用性。在人类naïve多能干细胞（nESCs）中加入相同小分子组合（AS与LY）处理数日后，也可诱导出OCT4与CDX2双阳性状态。单细胞RNA测序显示这些人源细胞同样激活了一系列滋养层相关基因表达。这一发现提示，BPSCs培养体系在跨物种应用及人类胚胎发育研究中均具备重要的拓展价值，为人类疾病模型建立、药物筛选及辅助生殖技术优化提供了可行的新途径。