不須子宮、精卵!《Cell》首見全人工合成鼠胚胎模型

日期2022-08-06
不須子宮、精卵!《Cell》首見全人工合成鼠胚胎模型(圖片來源:以色列魏茨曼科學研究所)
美國時間1日,以色列魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)僅透過在培養皿培養幹細胞,在沒有子宮、卵子、精子的情況下培養出小鼠的人工合成胚胎模型(synthetic embryo models),將成為利用幹細胞培養發育成用於移植的組織或器官的一大里程碑。這項研究也是首次成功在子宮外培育出全人工合成的小鼠胚胎。該研究發表於《Cell》。

魏茨曼科學研究所分子遺傳學系教授、該研究負責人Jacob Hanna表示,山中伸彌在2006年,透過被稱為「山中因子」(Yamanaka factors)的四種轉錄因子,能夠將已分化的體細胞重編程為具有類似胚胎幹細胞狀態的「誘導型多潛能幹細胞」(iPS細胞),但是,要相反從幹細胞分化成特定體細胞或是器官卻非常困難。

2021年3月,Hanna團隊在《Nature》上發表了一項研究成果,在歷經7年不斷的嘗試下,建立出一套電子控制設備,可讓自然受孕的鼠胚胎得以在子宮外的體外條件下從第5天存活至第11天,該設備讓胚胎在營養液中,透過不斷地旋轉移動,模擬從血液中向胎盤提供營養物質,並密切控制氧氣交換與氣壓。

而此次新研究中,團隊利用培養皿培養原始態(naïve state)的小鼠幹細胞人工合成胚胎,研究人員將幹細胞分成3組,其中一組是包含原本就會發育成胚胎的細胞,另外兩組則經過48小時的誘導處理,讓其表現調控胎盤或卵黃囊(yolk sac)因子。

接著將3組細胞在裝置內混合在一起,不久後就會聚集在一起,其中大部分無法正常發育,只有約0.5%(1萬個中有50個)會繼續形成球體,每個球體會變成細長的胚胎狀構造,研究人員用不同的顏色標記每組細胞,便可觀察到胚胎外逐漸形成胎盤與卵黃囊,發育過程就如同自然的胚胎一樣。

這些人工合成胚胎模型從第1天培養到第8.5天,幹細胞已分化成胚胎模型,並逐漸形成各種器官的祖細胞(progenitor cell),包含心臟、血液循環系統、大腦、神經管與腸道。但是,一般小鼠妊娠週期是20天,該模型僅能達到胚胎發育的早期階段。

不過,該人工胚胎模型與自然發育的小鼠胚胎相比,其內部結構形狀和不同類型細胞的基因表現模式上具有95%的相似度,模型中的器官也具有功能性的跡象。

研究人員指出,從幹細胞培養成胚胎的方法具有很高的價值,因為可以繞過在研究中使用天然胚胎涉及的技術與倫理問題,且可以在實驗室中培養出大量的胚胎模型。

Hanna表示,下一個挑戰是了解幹細胞如何組裝形成器官,並移動到特定的位置,尤其我們的裝置是透明的,可以透過觀察人工合成胚胎模型來了解器官發育的過程及發育所需的因子、最小結構等等。

Hanna指出,胚胎是最好的器官製造機器和最好的3D生物列印機,未來目標希望能夠利用人工胚胎模型製造器官和組織,用於器官移植和疾病治療。

參考資料:
https://scitechdaily.com/without-egg-sperm-or-womb-synthetic-embryo-models-may-enable-growing-organs-for-transplantation/

論文:DOI: 10.1016/j.cell.2022.07.028

(編譯/李林璦)