胚胎發(fā)育無疑是生物世界最奇妙的現(xiàn)象之一。盡管成年生物體極度復(fù)雜，胚胎的整個成長過程卻只起始于由卵子和精子結(jié)合成的，一個看上去平淡無奇的單核細胞。這個單核細胞就是我們所稱之為的受精卵（zygote）。在適宜的條件下，受精卵會啟動一系列相互作用且非常精密的基因程序，逐步發(fā)育生成生物個體所需的所有組織和器官。這些組織和器官有著有序結(jié)構(gòu)，可以協(xié)同工作，最終組成完整的有生命生物機體。在人類的歷史長河中，人們總是對胚胎發(fā)育這一生命過程有著無可比擬的好奇心。在過去的一個多世紀里，發(fā)育生物學(xué)家們應(yīng)用了多種動物模型來探究胚胎發(fā)育過程，例如，蛙、斑馬魚和鼠?？墒菑男螒B(tài)，細胞種類和發(fā)育過程方面，這些動物胚胎模型和人類胚胎發(fā)育都有著明顯的差異。這也就意味著，從動物模型中獲取的胚胎發(fā)育知識并不能完全直接應(yīng)用到對人類胚胎發(fā)育過程的理解中。事實上，在免疫和癌癥等其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，越來越多的實驗研究表明動物模型的實驗結(jié)果并不能直接地轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用中。
我們對人的胚胎發(fā)育有著極其有限的了解。但是，可以應(yīng)用于科學(xué)研究的人類胚胎非常的有限，而且只局限于著床以前階段的人類胚胎（pre-implantation）。此外，在學(xué)術(shù)界被廣泛遵循的倫理規(guī)范要求人類胚胎體外培養(yǎng)最多只能到受精后的14天 （14-day rule）或者在原條（primitive streak）發(fā)育出現(xiàn)之前。同時，現(xiàn)有的人類胚胎體外培養(yǎng)方法仍舊處于探索階段，還遠沒有達到機理研究和臨床應(yīng)用的要求。目前，我們對于人類胚胎著床后（post-implantation）的早期發(fā)育的認識幾乎為零。為此，人類胚胎發(fā)育從受精后7天到大約受精后28天的這個階段也被稱為人類胚胎發(fā)育的 “黑匣子” 。可是，許多非常重要的胚胎發(fā)育節(jié)點正是發(fā)生在這個 “黑匣子”階段，例如原腸胚形成（gastrulation），體軸（body axis）的出現(xiàn)和神經(jīng)管 (neural tube) 的形成。
2019年9月11日，密西根大學(xué)傅劍平教授團隊（第一作者為鄭毅博士）在Nature雜志上在線發(fā)表了題為 Controlled modelling of human epiblast and amnion development using stem cells的研究論文。論文中報道了一種基于人類多功能干細胞（human pluripotent stem cells）的微流體體外培養(yǎng)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，人類多功能干細胞可以非常近似的模擬人類胚胎著床早期的若干關(guān)鍵階段的發(fā)育，并且具有高度的可控性及重復(fù)性。這個工作為揭示人類胚胎發(fā)育和繁殖的奧秘提供了革命性的新的實驗手段。該微流體類胚胎模型還將會有助于合理設(shè)計用于疾病建模和細胞治療的多功能干細胞分化方案，以及用于預(yù)防妊娠失敗和出生缺陷的高通量藥物活性和毒性的篩選。
人類胚胎著床后的第一個發(fā)育節(jié)點是羊膜細胞（amniotic ectoderm）的生成和早期胚囊（embryonic sac）的發(fā)育形成。傅劍平教授的研究團隊創(chuàng)造性地設(shè)計了一個可控的微流體系統(tǒng)來對人類多功能干細胞進行培養(yǎng)來實現(xiàn)這一過程。具體來說，這個微流體系統(tǒng)包括三個微流通道，分別用作類胚胎組織（embryonic-like sac）的生長，多功能干細胞的注入，和傳遞細胞分化所需要的生長素（morphogen）。此微流體系統(tǒng)可以實現(xiàn)只對多功能干細胞團的一部分進行生長素刺激，實現(xiàn)類羊膜細胞（amniotic-like ectoderm）分化，進而腹背軸（dorsal–ventral patterning）的形成。如果在加入生長素的同時，在多功能細胞團的另一側(cè)加入特定的抑制劑 （inhibitor），可以控制所得類胚胎組織使之模擬前段或后端的胚囊（embryonic sac）。在這個可控的微流體系統(tǒng)里，類胚胎組織形成的成功率可以高達95%。不僅如此，傅劍平教授的研究團隊還在類胚胎組織中發(fā)現(xiàn)了類原始生殖細胞（primordial germ cell-like cells）。原始生殖細胞是所有兩性生殖細胞的前體細胞，對人類遺傳和生殖有者至關(guān)重要的作用。這一重要的發(fā)現(xiàn)不僅進一步提供了這個類胚胎組織體外發(fā)育系統(tǒng)和人類胚胎發(fā)育的高度相似性的證據(jù)，同時也為推進當前人類原始生殖細胞研究提供了一個全新的實驗手段。應(yīng)用此系統(tǒng)，傅劍平教授的研究團隊更首次發(fā)現(xiàn)，在人類胚胎著床后的早期發(fā)育階段，初始的羊膜細胞為原始生殖細胞的分化和觸發(fā)原腸胚的形成提供了必要的引導(dǎo)信號。這些發(fā)育引導(dǎo)信號包括了WNT通路；但是，WNT在觸發(fā)人胚胎原腸胚形成的作用與此前學(xué)術(shù)界普遍接受的鼠類胚胎發(fā)育規(guī)律并不一致。這些意外的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)人類胚胎發(fā)育的獨特性。
鄭毅（文章第一作者）博士表示：“盡管目前還沒有體內(nèi)實驗結(jié)果能驗證我們的這些新發(fā)現(xiàn)，但是基于人類干細胞形成的類胚胎組織和已知的其他靈長類胚胎有著極高的相似性，我們在文中提出的人類胚胎發(fā)育機制具有高度可信性。而且，我們可以預(yù)期，基于人類干細胞的類胚胎組織系統(tǒng)將會被其他生物學(xué)家進一步采用以揭示更多的人類早期胚胎發(fā)育的未解之謎。”
綜上所述，由于其高度的可控性和可擴展性，此基于人類干細胞的類胚胎組織培養(yǎng)發(fā)育系統(tǒng)為推進人類胚胎學(xué)和繁殖學(xué)的進展提供了強大的實驗工具。
該研究主要由密西根大學(xué)傅劍平教授團隊完成，鄭毅博士承擔(dān)其中大部分實驗設(shè)計，執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析工作。另外，前課題組成員邵玥博士（現(xiàn)清華大學(xué)航空航天工程學(xué)院生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所助理教授）和李自達博士（現(xiàn)深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院助理教授）也一并參與了這項研究工作。
