Cell Stem Cell | 吴军团队开发诱导型干细胞人胚胎模型—iSCBEMs

撰文|易

对人类而言，受精后第二周开始的植入后早期发育阶段（对应于卡内基分期第5-6期，CS5-CS6）是一个至关重要的“黑箱”。由于难以获取处于此阶段的人类自然胚胎，且面临严峻的伦理和技术限制，我们对此关键时期发生的复杂形态发生和细胞谱系特化事件知之甚少。近年来，基于干细胞构建的胚胎模型（SCBEMs）为绕过这些限制提供了强大的替代方案。已有研究尝试通过组合多能干细胞（模拟胚胎部分）和诱导产生的胚外组织细胞（如卵黄囊和滋养层细胞）来构建整合模型，以模拟整个胚胎结构。然而，这些模型普遍面临重现性差、效率低下、基因组不稳定以及模拟保真度不高等挑战，限制了其广泛应用和可靠性。

2025年8月29日，美国得克萨斯大学西南医学中心吴军团队在Cell Stem Cell期刊上发表题为“An inducible model of humanpost-implantation development derived from primed and naive stem cells”的研究论文，通过将始发态人多能干细胞（primed hPSCs）与经转基因诱导的、原始态人多能干细胞（naive hPSCs）来源的胚外细胞结合，成功构建了可高效模拟人类植入后早期胚胎发育（CS5-CS6阶段）的诱导型干细胞胚胎模型（iSCBEMs），并首次发现卵黄囊与胚外中胚层细胞开始起源于初始诱导的胚外细胞，但逐渐被始发态人多能干细胞来源的细胞取代。

本研究设计并实施了一套系统性的、分步优化的策略来构建新型诱导型干细胞胚胎模型（iSCBEMs）。首先，研究团队通过筛选一系列转录因子，最终确定并建立了利用多西环素（DOX）诱导的转基因细胞系：在naive hPSCs中诱导表达YAP-5SA（一种持续活跃的YAP突变体）来产生滋养层样细胞（TLCs），以及诱导表达GATA6来产生下胚层样细胞（HLCs）。其中，膜定位荧光蛋白（tdTomato和EGFP）在 iYAP-5SA 和 iGATA6细胞系中以 DOX 依赖性方式表达，便于后续谱系追踪。其次，系统比较了不同多能性状态的干细胞作为胚胎部分来源的效率，发现与诱导产生的胚外细胞共聚集时，primed hPSCs表现出卓越的自我组织能力。最后，评估了多种培养体系，确定使用基于N2B27的扩展囊胚培养（EBC）培养基能最优地支持聚合体的长期生长、结构完整性和谱系整合。最终的标准化方案是将32个primed hPSCs与经过3天DOX诱导的naive iYAP-5SA和iGATA6 hESCs共聚集，并在EBC培养基中进行培养。

结果表明，本研究构建的iSCBEMs展现出了惊人的自我组织能力，成功模拟了人类胚胎在植入后早期（CS5-CS6）的复杂形态发生事件和细胞谱系分化路径。在培养的第3天开始，模型内部开始出现明显的腔化过程，形成了三个特征性的空腔结构：羊膜样腔、卵黄囊样腔以及绒毛膜样外层结构。这些空腔并非随机分布，而是呈现出高度有序的空间排布，类似于天然胚胎中羊膜腔、卵黄囊和绒毛膜腔的相对位置，标志着双胚层盘结构的初步建立。极性蛋白（如PKCζ、PODXL）和细胞粘附分子（ECAD、NCAD）在腔体上皮的特定分布，证实了这些结构建立了典型的顶端-基底极性，表明iSCBEMs成功重现了羊膜腔与卵黄囊腔形成的关键特征，包括早期谱系分离、空间组织以及生殖细胞特化的启动。

scRNA-seq分析为模型的细胞保真度提供了无可辩驳的分子证据。将超过7万个iSCBEMs细胞的转录组数据投射到人类胚胎参考图谱上后，CS5-CS6期的胚胎高度吻合。模型内不仅包含了细胞滋养层样细胞和合体滋养层样细胞，还产生了胚外中胚层样细胞。这些胚外中胚层细胞相互连接成网状，并包绕形成一个独立的胚外体腔样（或称绒毛膜腔样）结构，重现了该阶段胚胎的标志性特征。此外，模型内还检测到了原始条纹样细胞、定形内胚层样细胞、内皮祖细胞以及原始生殖细胞样细胞，表明iSCBEMs甚至启动了早期原肠胚形成和生殖细胞特化的初始程序。

本研究最引人瞩目的发现之一是通过严谨的谱系追踪技术，揭示了卵黄囊和胚外中胚层的主要细胞起源。尽管在构建初期加入了由naive hPSCs诱导产生的GATA6+下胚层样细胞（iGATA6），但荧光报告基因和scRNA-seq溯源分析共同证实，到了模型发育的后期（第5-7天），构成卵黄囊样腔的SOX17+细胞超过80%来源于作为胚胎部分加入的primed hPSCs。同样，形成胚外中胚层样结构的GATA4+VIM+细胞也几乎全部由primed hPSCs贡献。深入的机制探究表明，这一“鸠占鹊巢”的现象并非由于诱导细胞的凋亡清除，而是源于其固有的增殖劣势——iGATA6来源的细胞Ki67增殖指数显著低于其他细胞组分，使得具有强大自我更新和多向分化潜能的primed hPSCs后来居上，占据了这些胚外谱系的主导地位。这一发现挑战了传统认知，揭示了primed hPSCs在发育过程中具有贡献于胚外组织的巨大潜能。

此外，模型在分子和功能层面也表现出高度的模拟真实性。滋养层细胞成功分化为外层多核的合体滋养层样细胞，它们形成了绒毛间隙样的网状空腔结构，并功能性分泌人绒毛膜促性腺激素（hCG）。模型还展现出前后轴建立的初步迹象：在一部分聚合体中，表达AVE标志物CER1和LEFTY的细胞与表达中胚层标志物T/Brachyury的细胞分别位于上皮样胚胎区域的两端，形成了彼此对立的信号中心，这与天然胚胎中通过Nodal信号梯度建立体轴的模式相吻合。虽然iSCBEMs模型没有重现人类胚胎的所有组成部分，例如绒毛外滋养层细胞（EVTs），但以更高的效率和可重复性可靠地模拟了植入后早期发育的几个关键特征，为研究人类胚胎发生提供了一个强大的平台。

综上所述，iSCBEMs的研究结果远远超出了简单地复制几个细胞类型或结构。它提供了一个动态的、高度仿生的系统，不仅重现了人类植入后早期发育的核心解剖结构和关键细胞谱系，更深刻地揭示了细胞竞争与命运抉择的潜在规律，以及多能干细胞在胚胎模式构建中的广泛贡献，为理解人类生命最初阶段的奥秘开辟了前所未有的窗口。

Seiya Oura 承担了这篇文章的所有实验工作并是本篇文章的第一作者。李磊杰负责了所有的生信分析工作，是本文的共同通讯。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.08.005

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