中国团队《Cell》炸场，突破性成果颠覆 3 大传统瓶颈

2025年8月，国际顶级期刊Cell发表了来自中国科研团队的突破性研究。景乃禾教授（广州国家实验室）、José C. R. Silva教授（广州医科大学附属第一医院）和李欢欢研究员（广州国家实验室）作为共同通讯作者，开发了一种纯化学小分子诱导技术，首次实现了小鼠胚胎干细胞（ESCs）向胚胎奠基细胞（iEFCs）的高效转化 (Li et al., 2025)。这项研究不仅突破了传统胚胎模型的构建瓶颈，更在体外完整重现了从早期谱系特化到器官发生的全过程。

一、研究背景

胚胎发育研究长期受限于伦理壁垒和技术瓶颈。传统胚胎模型依赖复杂的细胞组装（如混合胚胎干细胞、滋养层干细胞和胚外内胚层样细胞）或外源基因表达（如Gata6/Cdx2转基因），存在效率低（＜20%）、发育保真度差和难以模拟器官发生三大缺陷。

早期胚胎细胞具有全能性，能自主分化形成胚胎及胚外组织；而实验室常用的多能干细胞（PSCs）仅保留胚胎内部组织的发育潜能。过去十年间，研究者尝试通过激活Stat3信号诱导“桑葚胚样细胞”（MLCs），或优化培养条件模拟着床后发育，但始终未能建立贯穿整个胚胎发育周期的完整模型。

化学小分子因其时空可控性和无遗传修饰风险的优势，逐渐成为细胞命运重编程的新工具。例如，经典的“2i”抑制剂组合（PD0325901和CHIR99021）可维持初始态多能干细胞。本研究团队创新性地提出：能否通过小分子直接逆转ESCs的发育时钟，使其回归具有全能性的胚胎奠基状态？

图文摘要

二、研究思路与实验设计

研究通过两个核心阶段实现全化学诱导胚胎发育：

第一阶段：胚胎奠基细胞（iEFCs）诱导

团队筛选出小分子组合（ALK5抑制剂E616452 + RARα激动剂AM580 + GSK3β抑制剂CHIR99021），60小时内将小鼠胚胎干细胞高效转化为分子特征匹配8-16细胞期胚胎的iEFCs。单细胞转录组证实其高表达桑葚胚标志基因（如Stmm3、Dppa3），染色质可及性分析显示早期胚胎调控元件被激活。

第二阶段：胚胎模型（iEFC-EM）构建

iEFCs在含TRULI（LATS抑制剂）、ACTIVIN A、XAV939（Wnt抑制剂）、BMP4和FGF4的培养基中培养36小时，自组织形成三大囊胚谱系（滋养层CDX2+、原始内胚层GATA4+、上胚层OCT4+）。随后在三维培养中形成类囊胚结构（效率95%），并发育至E8.5器官发生阶段。

验证体系：通过体内嵌合实验（贡献胚胎及胚外组织效率47-73%）、单细胞转录组追踪发育轨迹、高分辨率成像记录形态动态变化三重验证。

三、研究主要结果

1、小分子筛选实现ESC向胚胎奠基细胞的高效转化

研究团队通过小分子化合物筛选，建立了一种无需转基因的化学重编程策略。从ESC向胚胎奠基细胞（EFC）转化的核心在于诱导囊胚谱系关键转录因子的共表达。初始筛选发现，ALK5抑制剂（E6165452）与RARα激动剂（AM580）联合GSK3β抑制剂（CHIR99021）可激活GATA6并维持OCT4表达。进一步优化条件（命名为K4方案）后，小鼠ESC经60小时处理，84.0%–87.6%的细胞同时表达CDX2/GATA6（图1C-D），且78.5%的细胞共表达OCT4/CDX2（图1D）。染色质可及性分析（ATAC-seq）显示，iEFCs的染色质开放区域富集于早期胚胎发育关键因子（如Tfap2c、Sox15、Tead1/4）的调控位点（图1I-J）。这一方案在三种不同品系的小鼠ESC中均验证有效。

图1 候选筛选可识别将ESC重新编程为胚胎创始人样细胞的小分子

2、iEFCs分子特征精准匹配8-16细胞期胚胎

单细胞转录组分析揭示，iEFCs与天然8-16细胞期胚胎高度相似（图1F）。联合分析18,974个小鼠自然胚胎单细胞数据发现，iEFCs特异性高表达桑葚胚阶段标志基因（Stmm3、Dppa3、Fbp2、Bhmt、Calcoco2）（图1H），而ESC特异性基因（如Nanog）显著下调。关键转录因子Oct4、Gata6、Cdx2在iEFCs中的共表达模式与早期胚胎未分化状态一致（图1G）。此外，iEFCs染色质开放区域集中于桑葚胚标志基因（Fbp2、Calcoco2、Krt8）的启动子及增强子（图1K），证实其分子特征回归至胚胎奠基阶段。

3、iEFCs在体内外贡献所有囊胚谱系

体外实验中，95%的iEFCs可自组织形成类囊胚结构（胚状体），并空间分化为EPI（SOX2+）、TE（CDX2+）及PrE（GATA6+）谱系（图2B-F）。体内嵌合实验表明，iEFCs注入8细胞期胚胎后，可贡献至囊胚的所有细胞区室（EPI/TE/PrE）（图2J-K）。在E6.5嵌合体胚胎中，iEFCs来源细胞占所有谱系（包括EPI、原始条带、胚外内胚层等）的约50%（图2N-O），且转录谱与野生型细胞高度一致（图2P-Q）。相比之下，ESC仅局限于EPI谱系贡献（图2J-L）。

图2 iEFC能够通过母胚和体内嵌合体测定产生所有胚胎和胚胎外谱系

4、化学特化培养基驱动iEFCs快速定向分化

通过第二阶段化学诱导（含TRULI、ACTIVIN A、XAV939、BMP4、FGF4的特化培养基），iEFCs在36小时内高效分化为TE（CDX2+）、PrE（GATA4+）和EPI（OCT4+）谱系（图3C-D）。单细胞转录组分析证实，分化后细胞与E4.5囊胚三种谱系分子特征匹配（图3E-G）。谱系倾向性评分显示，iEFCs从多能状态快速转向囊胚谱系特化（图3I）。TE谱系进一步分化为极性（CDX2+）与壁层（KRT18+）滋养层细胞，模拟体内囊胚植入前的分化进程。

图3 通过第二阶段的化学处理将iEFC指定为囊胚样谱系

5、iEFC-EM重现原肠胚形成关键事件

iEFCs在三维培养中自组织形成胚胎模型（iEFC-EM），成功模拟原肠胚形成：第4天形成双层杯状结构（图4D）；第5天出现前羊膜腔（PAC）；第6天形成原始条带（T/Brachyury+）、羊膜腔（AC）及胚外体腔（EC）（图4B）。组织学切片显示上皮-间质转化（EMT）特征：E-cadherin下调、N-cadherin上调（图4N）；FOXA2+轴向中胚层及FOXA2+GATA4+定形内胚层（DE）正确分布（图4M）。模型在三个独立ESC品系中均验证有效。

图4 iEFC高效、快速、准确地生成一个胚胎模型，概括了自然胚胎发生

6、iEFC-EM分子图谱高度模拟E7.5天然胚胎

第6天iEFC-EM的单细胞转录组与E7.5自然胚胎高度匹配（图4O）。鉴定出24种细胞类型，包括前原始条带、轴旁中胚层、脏壁中胚层等（图4P），并重现卵黄囊造血（RUNX1+血岛）及血管生成。胚外组织分析揭示TE来源的滋养层干细胞（TSC-1/2）、蜕膜驱动细胞（Sox11+Igfbp2+Fn1+）等7个亚群，证实其发育潜能超越现有胚胎模型。

7、胚外滋养层谱系发育获得突破性进展

iEFC-EM的滋养层谱系展现出高级发育特征：壁层与极性TE共同贡献形成外胎盘锥（AP2γ+）、绒毛膜腔细胞。移植实验显示，iEFC-EM可诱导70%的假孕母鼠子宫蜕膜化，与模型内蜕膜驱动细胞的存在相符。滋养层细胞进一步分化为海绵滋养层（Ascl2+）、合胞体滋养层（Dio3+、Tfrc+）等亚型，覆盖胎盘发育关键阶段。

8、器官发生阶段结构完整性与功能化验证

第8天iEFC-EM形态学媲美天然E8.5胚胎：形成14对体节、前/中/后脑区、神经管、心管（MHC-II+）、视泡、尿囊及尾芽（图5A-E）。单细胞转录组分析鉴定出20种胚胎细胞类型（包括脊髓、神经嵴、原始生殖细胞）和7种胚外细胞类型（图5F）。心管跳动、体节分节及肠道形态等特征均证实其发育完整性（图5B-D）。模型成功捕获神经嵴（Sox2+）、脑分区（Otx2+Foxg1+）等过去胚胎模型未实现的细胞类型（图5F）。

图5 第8天的iEFC-EM在形态和分子特征上与 E8.5 胚胎非常相似

9、卵黄囊造血与神经管形态发生的分子证据

卵黄囊分析显示：RUNX1+血岛定位于卵黄囊中胚层，CDH5+内皮细胞形成血管网络，重现原始造血过程。神经外胚层分化为前脑（Otx2+Foxg1+）、中脑（En1/2+Wnt1+）及后脑（Hoxa3+）（图6C-D）。免疫荧光证实神经管SOX2+、脊索T+区域的空间分布（图6E），且OTX2与PAX6在前脑区共定位（图6F），分子模式与天然胚胎高度一致。

图6 iEFC-EMs的神经发生、心源发生和体质发生

10、内胚层发育与原始生殖细胞（PGC）进展

iEFC-EMs成功模拟了内胚层器官的形成和原始生殖细胞（PGC）的发育过程。内胚层发育分为胚胎内胚层（形成前肠和后肠）和胚外内胚层（形成卵黄囊）（图7A）。在胚胎内胚层中，前肠（foregut）表达标志物 FOXA2 和 SOX17（图7B），而后肠（hindgut）则表达 CDX2（图7C），这与自然胚胎中的表达模式一致（图7B, C）。胚外内胚层发育形成卵黄囊（yolk sac）。更重要的是，研究在 iEFC-EMs 中检测到了原始生殖细胞（PGCs），这些细胞表达关键的 PGC 标志物 BLIMP1（图7D），并显示出 PRDM14 和 DAZL 的转录特征（图7E）。这些 PGCs 表现出迁移特征（图7F），定位在尿囊基部（base of the allantois）附近，模拟了自然胚胎中 PGCs 从原条向生殖嵴迁移的早期阶段。这些结果表明，iEFC-EMs 能够准确再现内胚层器官形成和 PGC 的早期发育与迁移路径。

图7 iEFC-EMs的内胚层发育和PGC进展

四、结论与核心发现

本研究首次实现了全化学诱导的胚胎全程发育模型。iEFC-EM在体外成功重现了小鼠胚胎发育的核心里程碑：

谱系完整性：涵盖胚胎本体（三胚层、神经管、体节）、胚外组织（滋养层、卵黄囊、尿囊）及原始生殖细胞

发育保真度：形成6-14对体节、前/中/后脑分区、搏动的心管、RUNX1+血岛、SOX2+神经嵴

分子一致性：单细胞转录组显示与天然E8.5胚胎细胞类型相似性达90%以上

技术优势：效率提升至54.2%（传统模型＜20%），无需外源基因或复杂细胞组装

五、研究意义与展望

这项研究颠覆了胚胎模型构建范式。化学重编程的高效率（95%囊胚形成率）和高保真度（器官发生再现）解决了领域内长期存在的技术瓶颈。其核心突破在于：“解锁”了多能干细胞的发育全能性。通过小分子精确逆转细胞发育时钟，使ESCs回归胚胎奠基状态，自发启动有序发育程序。

从应用角度看，iEFC技术将带来三重变革：

1、基础研究：为原肠胚形成、器官发生等“黑箱”发育过程提供实时观测窗口；

2、疾病建模：构建人源iEFC-EM可模拟先天畸形、探究发育障碍机制；

3、再生医学：奠基细胞的定向分化能力为器官再生提供新型细胞来源

值得深思的是，该技术虽在动物模型取得突破，但人类胚胎样结构的构建仍面临伦理约束。未来需建立严格的发育“红线”——例如在神经组织出现前终止培养。随着国际社会对合成胚胎的伦理框架逐步完善，这项研究或将成为打开人类发育密码的关键钥匙。

参考文献

Li, H., Guan, W., Huang, J., Shen, P., Wu, J., Luo, H., Yang, Y., Ning, S., Chang, L., Zhao, H., et al. (2025). A complete model of mouse embryogenesis through organogenesis enabled by chemically induced embryo founder cells. Cell.

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