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干细胞平台有助深入认识人类胚胎早期发育

来源:admin

日期: 2018.10.16

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来自加拿大多伦多大学的研究人员开发出一种新的平台而能够在实验室中研究人体发育的早期阶段,从而揭示出在此之前仅在子宫中发生的关键生物学过程。

这项技术被认为是加拿大的首创,它能够让人胚胎干细胞自我组装成一种具有胚胎样特征的结构,包括大脑、心脏和肝脏等器官的早期前体。

试图通过利用人体自我更新能力来治疗疾病的研究人员长期以来想要理解这些过程,这是因为他们相信他们持有的新看法可能对推进新的再生医学疗法至关重要。但是技术障碍、伦理问题和法律限制阻碍了他们在实验室中对人类胚胎的这些关键发育阶段的研究。这就是为什么科学家们正转向干细胞生物工程,以便从中寻求答案。

多伦多大学生物材料与生物医学工程研究所博士生Mukul Tewary说,“鉴于它是一种人造的工程环境,且能够模拟我们认为在人胚胎发育中起着重要作用的一些基本的组织原则,我们的平台有潜力减轻与在实验室中研究人类胚胎相关的一些挑战,并且为人胚胎发育的初始阶段如何开始提供非常有用的线索。”

Tewary说,“了解这一点不仅能够让我们从基础生物学的角度认识我们是如何产生的,而且也提供对再生医学领域非常有价值的关键信息。”

尽管之前在美国开展的一些研究已展示了“合成”胚胎结构(embryo patterning),但是Tewary开发的这种平台以重要的方式加快这种技术发展,他认为这将能够让科学家们开始对基于动物研究和数学建模而提出的关于早期人体发育生物学的假设进行测试。最终,研究人员希望这种信息能够让他们朝实现再生医学的长期目标更接近一步:在实验室中利用干细胞培育出新的组织和器官来替换那些被疾病破坏的组织和器官。

但是科学家们、伦理学家和政策制定者将不得不应对这种平台引发的棘手问题。Tewary说,“直到最近,生物伦理学家还没有考虑过这一点。”

人胚胎样结构没有发育为人的潜力,这是因为它们是由一层胚胎干细胞产生的,而不是由受精的卵子产生的。尽管如此,它们的出现还是挑战了我们对胚胎的定义。

在此之前,科学家们还不能够让人胚胎在培养皿中存活超过受精后的7天,即胚胎在子宫中着床的时间。即便它们在7天后仍然保持活力,一项存在了数十年的已被庄严载入加拿大《人类辅助生育法案(Assisted Human Reproduction Act)》中的国际法律和监管共识也会禁止科学家们在实验室中培养完整的人类胚胎超过14天。这正是人类胚胎开始沿着原条(primitive streak)自我组装,而且刚好在原肠胚形成(gastrulation)之前。当原肠胚形成时,被称作上胚层(epiblast)的单层细胞盘状结构形成三个不同的胚层,这些胚层最终产生不同类型的器官。

生物伦理学家和科学家们针对这种14天限制达成一致的看法,这是因为他们想要阻止实验室培养的胚胎生长,甚至在脑细胞的前体细胞开始形成之前,就想要阻止这一点,以便回避关于意识和感知疼痛的能力何时开始产生的争论。

最近的进展使科学家能够在培养皿中培养人类胚胎更长时间,但是时间仅短于14天。去年发表在Nature期刊上的一篇评论文章已提醒道,这种进展,再加上构建出产生源自干细胞的胚胎样结构的工程平台,已“让人类发育生物学与‘这种14天规则’相冲突。”或者,正如麻省理工学院科技评论近期的一篇标题所言,“人工人类胚胎即将到来,没有人知道如何处理它们。”

科学家们迄今为止还不知道如何处理,但是进展正在迅速地发生。在过去的3年里,几个研究小组在实验室中通过将人胚胎干细胞放置在微型图案表面上来模拟早期的胚胎发育,这允许他们控制细胞在何处附着和如何附着。他们随后利用不同的培养基来诱导生长和分化。

Tewary和来自多伦多大学Peter Zandstra教授实验室和多伦多大学生物材料与生物医学工程研究所副教授Rodrigo Fernandez-Gonzalez实验室的同事们开发出的这种平台以两种方式改进那项研究。这些研究人员利用紫外线光刻技术将微型图案转移到一种聚合物覆盖的平板上,与其他技术相比,这会增加这种图案加工过程的效率和稳健性。而且不同于其他的平台的是,他们的平台是高通量的,能够让他们构建出上千种胚胎样结构,并且在每个实验中测试它们对多种不同的条件作出的反应。

这两项改进允许他们更加准确地鉴定出促进人类胚胎早期发育的信号和线索。Tewary如今正在研究其他的发育事件,如神经图案形成(neural patterning),如何能够从系统中诱导出来。他们能够提供关于在受精后大约14天发生的原肠胚形成的新见解,这会产生如何将伦理和法律考量与能够从根本上引发科学与医学变革的发现进行平衡的问题。

随着这些工程平台变得更加复杂,研究人员和生物伦理学家对现行的胚胎研究规定可能不足以应对未来的发展感到担忧,特别是如果源自干细胞的胚胎样结构开始显示出在发育头14天后的人类胚胎中出现的特征。 

一些人呼吁针对这种14天规则是否应当重新审视,开展广泛的国际谈论。去年,国际干细胞研究协会更新了干细胞研究的指导方针,“认识到开发越来越复杂的体外人类发育早期阶段的模型应当接受专门的审查。”

其他人声称仅仅是调整这种14天规则可能是不够的。今年早些时候,来自美国哈佛医学院和荷兰格罗宁根大学的研究人员认为试图基于发育里程碑事件(如原条)预先阻止“引发伦理担忧的特征”出现将并不足以解决可能跳过发育步骤或沿着不同的时间线进行发育的胚胎样结构。相反,他们提出伦理限制应当“尽可能直接地建立在这类特征的产生之上”,而且研究人员和生物伦理学家应为此制定规则。

不过即便达成了共识,考虑到国际上指导胚胎研究的法律和科学指导方法参差不齐,任何改变都可能需要数年的时间。

Zandstra说,他对解答基础生物学问题的新途径感到激动人心,这种平台为构建器官样结构提供了机会,同时也为开展更广泛的讨论提供了机会。(来源:生物谷)

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