Nature｜上海科学家团队建立干细胞类胚胎模型，揭示灵长类胚胎发育“神秘时刻”

2025年12月3日，nature期刊在线发表了题为《modeling late gastrulation in stem-cell derived monkey embryo models》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/上海脑科学与类脑研究中心刘真研究员联合脑智卓越中心孙强研究员、西班牙庞培法布拉大学alfonso martinez-arias教授和西北农林科技大学王小龙教授合作完成。

该研究首次利用干细胞类胚胎模型，实现了体外模拟灵长类晚期原肠运动发育过程，并重现原肠运动阶段的关键发育事件，为深入理解灵长类早期胚胎发育机制，及发育异常引起的早发流产和出生缺陷提供了强大的创新研究范式。

著名的发育生物学家刘易斯•沃伯特（lewis wolpert）曾指出，人一生中最重要的时刻不是结婚、出生或死亡，而是原肠胚的形成。生命最初的“形态构建”——原肠运动，是胚胎发育中最关键也最神秘的阶段之一。在此期间，着床后的囊胚细胞团经历剧烈的细胞命运分化、位置迁移与形态发生，形成内、中、外三个胚层，从而奠定胎儿所有组织器官发育分化的基础。人类孕育过程中多数早期流产与严重出生缺陷源于此阶段的异常。然而，由于该阶段体内胚胎获取困难、体外胚胎培养的技术瓶颈以及严格的“14天”伦理限制，导致领域内对于灵长类原肠运动这一“黑匣子”的发生规律及其调控机制研究尚处于起步阶段。

类胚胎模型，是指近年来利用多能干细胞在体外进行诱导和组装而获得的一类可以高度模拟正常胚胎形态发生、谱系组成和基因表达特征的胚胎结构。相较于利用正常胚胎开展研究，类胚胎模型具有方便获取、易于基因操作、伦理争议少等优势，这为深入理解和研究灵长类着床后原肠运动提供了重要契机。目前小鼠干细胞来源的类胚胎已经能在体外培养发育至早期器官发生阶段。尽管全世界各地多个研究团队尝试利用人多能干细胞开展类似研究，但尚未有研究报道利用人干细胞类胚胎模型实现原肠运动的完整模拟。已有的研究表明，干细胞多向发育潜能的高效维持和稳定培养是类胚胎模型诱导的关键。刘真研究员专注于灵长类胚胎发育、干细胞和模型构建研究。2023年，刘真研究团队针对灵长类多能干细胞发育潜能展开系统研究，与合作者首次获得高比例胚胎干细胞来源的嵌合体猴（cell, 2023）。在此基础之上，刘真研究团队与合作者成功利用猴胚胎干细胞诱导获得了猴“类囊胚”结构，并证明获得的类囊胚结构具有体外发育至早期原肠胚阶段（day 17）的发育潜能（cell stem cell，2023），但当时的研究中类囊胚体外培养发育效率较低，未能真正突破原肠运动阶段。

本研究中，研究团队首次利用干细胞类胚胎模型，完整模拟了灵长类晚期原肠运动发育过程，并体外重现原肠运动阶段的关键发育事件。研究团队首先对类囊胚的诱导流程和相关参数进行了系列改进，高效稳定诱导猴干细胞类囊胚结构。在此基础之上，通过将原先的体外培养系统从2d培养改进到3d悬浮培养，发现干细胞来源的猴类囊胚可以高效、稳健地发育至day 17早期原肠期胚胎（从之前的4%提升到40%左右），这为进一步开展胚胎培养并改进培养参数提供了可能。该体系能够连续模拟灵长类囊胚早期着床后（d11）到早期原肠胚阶段（d17）的胚胎动态发育过程，形成由上胚层（epiblast）、羊膜腔（amnion cavity）和卵黄囊腔 （yolk sac cavity）构成的灵长类早期原肠胚阶段典型双层胚盘样结构。

研究团队测试了不同培养条件促进day17猴干细胞类胚胎进一步发育的效果，发现在特定时间加入梯度浓度胎牛血清可以促进胚盘进一步发育至day25，同时保持胚盘结构的清晰和持续发育，包括day20时期的显著的胚盘拉长和day23时期的胚盘弯曲等典型的形态变化过程（图1a-c），类似天然胚胎的卡内基第8-9阶段（cs8-9），即原肠运动的晚期及早期器官发生的起点。通过进一步的组织形态学和单细胞转录组特征鉴定，这些体外培养的“猴类胚胎”在形态和细胞组成上，与相应发育阶段的天然猴胚胎高度相似（图1d）。它们不仅能模拟灵长类早期原肠胚期间前后轴、原条、羊膜腔和卵黄囊腔等典型结构的形态发生，更重现了原肠运动后期的多个关键发育事件，包括神经板（neural plate, np）的形成和早期神经褶样结构（neural groove, ng）的出现（图1e-f），揭示了灵长类大脑和神经系统发育的最初“蓝图”；新生中胚层（nas.meso）、侧板中胚层（lateral plate mesoderm）以及心脏中胚层（cardi.meso）等高级中胚层谱系的分化和早期卵黄囊造血系统的发育。猴类胚胎在卵黄囊样结构中启动了原始造血，产生了包括内皮细胞、造血祖细胞以及红细胞在内的多种血液细胞；定型内胚层（definitive endoderm, de）的分化，形成了前肠 （foregut）和后肠 (hindgut) 的原始结构，以及尿囊等，为消化、呼吸等多种器官的发育奠定了基础；成功特化了原始生殖样细胞（primordial germ cell-like cells, pgclcs），并追踪了其从羊膜向胚胎后部迁移的路径，高度模拟灵长类pgc细胞体内动态发育的过程。全面的单细胞转录组测序分析证实，这些类胚胎内部的细胞类型、基因表达谱以及细胞分化路径，与同期的自然胚胎高度吻合（图1g-h），从分子层面证明了该模型的可靠性。

为进一步验证该模型的实用性和可靠性，研究团队利用crispr/cas9基因编辑技术，构建了tbxt和eomes基因敲除的猴类胚胎模型。这两个基因是启动原肠运动的关键调控因子。研究人员发现tbxt敲除导致类胚胎的胚盘缩短、体轴发育紊乱，中胚层和内胚层分化严重受损，这与其在小鼠中的功能保守，并首次在灵长类模型中揭示了其作用机制。eomes敲除则严重影响了类囊胚的形成，揭示了说明其在灵长类滋养层发育中的发挥关键作用。基于猴类胚胎模型构建的crispr基因扰动系统，突破了传统模式生物研究的局限性，为体外系统性地解析灵长类胚胎发育尤其是原肠运动时期的关键调控基因和谱系分化规律提供了重要研究平台范式。

图1. (a) 猴类胚胎发育至第25天（d25）的三维悬浮培养系统示意图。(b) d17至d25猴类胚胎明场图。(c) d17至d25期间猴类胚胎发育效率统计。(d) e18和e19阶段天然猴胚胎（上）及d18、d19猴类胚胎（下）的对比。(e) 猴类胚胎在第22天（d22）和第25天（d25）的h&e染色图像。(f) d17-d25阶段猴类胚胎的3d重构图。(g) umap展示猴类胚胎所有细胞类型的分布。(h)猴类胚胎与cs8-9阶段天然猴胚胎的单细胞整合分析。

该工作创建了首个在体外完整模拟灵长类原肠运动至早期器官发生的干细胞类胚胎模型，它涵盖了从囊胚到原肠运动完成中的的多个重要事件。未来，该模型可以直观地“看到”灵长类生命早期构建的过程，并深入解析其谱系发生规律和背后的调控机制，此外，也提供了一个可以进行遗传操作和高效筛选的强大工具，用以研究发育疾病的根源并进行相关药物的胚胎安全性测试。文章在线后，同期nature以“灵长类胚胎模型的一次飞跃”为题发表对研究的评论文章，指出该模型高度复刻了灵长类胚胎前三周的关键发育事件，首次提供了一个能连续观察受孕后大约6到22天的早期灵长类发育过程的胚胎模型，使得体外按顺序分析灵长类早期胚胎发生的动态复杂过程成为可能。

脑智卓越中心/上海脑科学与类脑研究中心刘真研究员，脑智卓越中心李杰副研究员、孙强研究员，西班牙庞培法布拉大学alfonso martinez-arias教授和西北农林科技大学王小龙教授为该论文共同通讯作者。脑智卓越中心副研究员李杰（女）、博士后李杰（男）、博士生曹静（与西北农林科技大学联合培养）、尚申申（与上海科技大学和临港实验室联合培养）为该论文共同第一作者。脑智卓越中心张连升博士、研究生高菲、傅吉强博士、陈红玉博士、光原创新科技有限公司吴昊源、广州实验室崔桂忠研究员等为本研究提供了重要帮助。本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和上海尚思自然科学研究院的资助。

来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

编辑：蓝悦

上观号作者：上海科技