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Cell Research | 刘文强/高绍荣/魏珂/王译萱团队实现小鼠器官发生初期胚胎发育高效模拟
点评丨季维智（中国科学院院士）、李劲松（中国科学院院士）
在哺乳动物胚胎早期胚胎发育过程中，桑葚胚经历两次关键的谱系命运决定，产生外胚层（Epiblast，Epi）、原始内胚层（Primitive Endoderm，PrE）和滋养外胚层（Trophectoderm，TE）这三种最初始细胞谱系。胚胎植入子宫后通过原肠运动产生三胚层结构，进而启动神经和体节发育，形成心脏等器官原基。这一系列事件对于胚胎着床、器官形成以及胎儿发育具有决定性意义。胚胎干细胞（ESCs）、胚外内胚层干细胞（XEN）和滋养层干细胞（TSCs）的建立为谱系分化和早期胚胎发育研究提供了极大便利。在此基础上发展的干细胞类胚胎技术，利用多种干细胞的自组装能力，在体外重现了早期胚胎发育与器官发生的复杂生物学事件，为胚胎发育和疾病机制探究提供了新的范式。然而，目前小鼠原肠后类胚胎的构建需要同时使用胚外和胚内来源的多种干细胞系或依赖转基因方法，其培养体系复杂且效率低下，这严重限制了干细胞类胚胎技术的广泛应用【1,2】。因此，突破胚外与胚内早期谱系分化的界限，建立能在体外长期稳定维持的新型双向潜能干细胞，并高效地构建原肠后类胚胎模型，将极大地推动该领域的发展。
2025年8月29日，同济大学高绍荣院士团队与魏珂教授团队在Cell Research在线发表题为Modeling Post-Gastrula Development via Bidirectional Pluripotent Stem Cells的研究论文。该研究通过高内涵筛选，成功建立了一种可在体外长期培养的具有胚外-胚内双向分化能力的新型干细胞（Bidirectional Pluripotent Stem Cells, BPSCs）。该类细胞同时表达OCT4和CDX2，并且能在体外不添加诱导培养基的情况下，高效自发分化为三类早期胚胎谱系（Epi、TE和PrE）。BPSCs展现出强大的类胚胎形成能力，能够高效精确的重现小鼠胚胎心脏跳动、神经管闭合、体节形成及原始生殖细胞迁移等一系列关键发育事件。这项工作为再现着床后胚胎发育提供了新的细胞平台，也为研究早期人类发育与再生医学奠定了基础。
文章中在动态旋转培养阶段使用了Adawarbler®品牌的，基于“滚瓶法”培养原理的小鼠全胚胎旋转培养仪，实现了体外良好可持续的发育，接近E12。品牌、制造商、型号分别为：Adawarbler®、Eastmo biotech、WEC001-GT4，可参考以上网页详情。
上图为基于“滚瓶法”培养原理的小鼠全胚胎旋转培养仪核心结构：金属分气单轴回转器，型号为，Adawarbler® DishKP3，20孔位；基于近50年来一直沿用的“BTC”标准设计制造，能实现均匀的分气、分压以及可自由插拔胚胎培养瓶。
研究团队首先利用带有Oct4-GFP和CDX2-mCherry双重荧光报告基因的扩展多能干细胞（EPSCs）进行小分子筛选，在1859种小分子中发现AS1842856（FOXO1抑制剂）和LY2090314（GSK3抑制剂）这两种小分子能够共同诱导超过70%的细胞呈现OCT4和CDX2双阳性表达状态。此类细胞在AL培养条件下可以长期稳定培养，并且EPSCs也可从桑葚胚时期直接建立（图1）。通过单细胞转录组分析发现BPSCs更靠近处于第一次命运决定期的8至16-细胞期胚胎。此外，四倍体补偿实验证明BPSCs具有独立支持完整胚胎发育至成年的潜能。
图1 BPSCs的建立（详见文献）
在体外自由分化实验中，研究团队进一步证明BPSCs可以在不添加额外诱导因子的条件下，于48小时内高效自发分化出CDX2阳性（33.6%）、OCT4阳性（40.9%）及GATA6阳性（8.6%）的三类细胞，三者分别对应E4.5阶段囊胚中的三大谱系。这种无需诱导即可分化为三谱系的能力验证了BPSCs具备的高度可塑性（图2）。
图2 BPSCs在无诱导因子条件下自发分化（详见文献）
更为关键的是，研究团队利用这一培养体系，在仅使用化学诱导的条件下，从单一细胞起始实现了对E8.5-E8.75器官形成阶段胚胎发育的精确模拟（视频1和视频2）。在数日的体外培养中，BPSCs类胚胎逐渐完成了卵黄囊血岛产生、头神经褶发育、神经管形成与闭合、心脏有规律的搏动、体节形成、原始生殖细胞的产生和迁移等多个重要发育事件。免疫荧光与单细胞转录组分析显示，所构建的类胚胎结构在形态结构与细胞组成上与自然胚胎（E8.5-E8.75）高度一致，具备复杂且精细的组织结构。
专家点评Cell Research | 刘文强/高绍荣/魏珂/王译萱团队实现小鼠器官发生初期胚胎发育高效模拟
BPSCs中胚外谱系相关基因CDX2、TFAP2C等启动子区域相比其它干细胞呈现更加开放状态，H3K27ac等激活性表观标志明显增强，这为其分化为胚胎外谱系提供了表观基础。在机制上，研究证明Wnt通路的超激活可通过转录因子LEF1上调CDX2的表达。同时在胚胎中敲低LEF1可导致囊胚形成受到抑制，揭示LEF1在体内同样具有调控胚外谱系细胞命运决定的重要作用。
值得一提的是，该研究还验证了AL培养系统在人类干细胞中的适用性。在人类naïve多能干细胞（nESCs）中加入相同小分子组合（AS与LY）处理数日后，也可诱导出OCT4与CDX2双阳性状态。单细胞RNA测序显示这些人源细胞同样激活了一系列滋养层相关基因表达。这一发现提示，BPSCs培养体系在跨物种应用及人类胚胎发育研究中均具备重要的拓展价值，为人类疾病模型建立、药物筛选及辅助生殖技术优化提供了可行的新途径。
该工作经历一年的投稿与改进，于今年6月底发布在预印本网站BioRxiv上，最终在Cell Research发表。相比之前植入后类胚胎体外培养模型步骤繁琐且效率低下的问题，BPSCs为类胚胎构建提供了更高效、稳定与简便的解决方案，也为早期器官发生机制的探索提供了重要的体外模型。本研究与本月José Silva实验室（专家点评Cell | José Sliva/李欢欢/景乃禾团队利用小分子诱导新型类全能细胞EFC，实现高精度小鼠类胚胎构建）【3】、Jacob H. Hanna实验室【4】的研究类似，均用单一细胞起始的化学诱导方法实现了小鼠E8.5-E8.75的胚胎模拟。
同济大学刘奎升助理研究员、博士研究生燕子回、柏丹丹助理研究员、博士研究生姜睿、毕焱副教授、博士研究生马祥钧为该论文的共同第一作者，同济大学刘文强教授、高绍荣院士、魏珂教授、王译萱教授为该论文的共同通讯作者。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41422-025-01172-x
专家点评：季维智（中国科学院院士）
建立具有高效胚外和胚内分化能力的高潜能干细胞是早期谱系分化与胚胎发育研究亟待解决的重要问题，本文通过高内涵筛选，从1859种小分子中成功鉴定出LY2090314（GSK3i）与AS1842856（FOXO1i）两种小分子可同时促进多能性细胞表达两种谱系的标志性基因OCT4和CDX2仅联用这两种小分子（AL体系）可使OCT4⁺/CDX2⁺双向多能干细胞（BPSCs）长期稳定培养。单细胞转录组揭示BPSCs可能代表着16-细胞（桑椹胚）时期的一种发育状态。BPSCs在体外2天内即可自发分化为滋养外胚层、外胚层和原始内胚层，并在体内四倍体补偿实验中发育成完整个体，并产生可育的后代。进一步，作者利用BPSCs与PrE诱导体系组合，在体外利用单一细胞系重建了相当于小鼠E8.5阶段的类胚胎模型，高还原度重现神经管闭合、心跳、体节与原始生殖细胞形成等关键发育事件；AL培养条件也适用于人naïve ESC，可诱导其获得OCT4⁺/CDX2⁺状态。
本项工作与最近José Silva实验室、Jacob H. Hanna实验室的工作相近，创新性的在无转基因条件下，用纯化学方法仅使用一种多能干细胞实现了E8.5-E8.75的胚胎模拟，其构建效率与还原度均超过多种细胞组合的方法。更加有意思的是本项工作首次锁定并长期维持OCT4⁺/CDX2⁺双阳性群体，并发现这一双向多潜能状态的诱导是可逆的。机制层面作者也进行了探究，发现Wnt-LEF1轴可能是打破早期谱系壁垒的核心转录因子。本项工作的构建方法易于操作，所应用的试剂更简单，对不同基因型来源的细胞适应性更强。本项工作对人类细胞相似状态的探索也十分有意义，有望在此基础上建立human的morula-like细胞并实现人类类胚胎构建效率的巨大提升。该成果为理解第一次细胞命运决定与早期器官发生机制提供了新的体外范式，并在药物设计开发、基因功能探究、胎盘发育探究及早期妊娠疾病研究等方面具备重要应用潜力。
虽然如此，本研究中TE谱系的发育仍然是十分有限的，体外培养并不能产生完整的胎盘（这是体内发育所必须得），更多的是依赖卵黄囊进行营养交换。因此建立一种可以完全替代胎盘的TE-like细胞是未来研究的重要方向。
专家点评：李劲松 （中国科学院院士）
寻求更高发育潜能的干细胞与体外重现胚胎长期发育是目前发育生物学最为重要的研究方之二。本研究在这两个方面均实现了突破性进展。在理论层面，研究首次捕获了介于多能性与全能性之间的关键过渡态细胞——双向多能干细胞（BPSCs）。通过小分子组合（AL培养基）诱导OCT4/CDX2双阳性表达（>70%），颠覆了"OCT4与CDX2互斥"的传统认知。BPSCs在体内和体外均实现了高效的胚内和胚外的发育，显示出比多能性状态更高的可塑性。同时作者揭示了Wnt-LEF1轴是突破谱系分化屏障的关键（LEF1敲除导致胚胎停滞于桑椹胚阶段），为哺乳动物早期命运决定提供全新框架。
本研究与之前José Silva实验室、Jacob H. Hanna实验室的研究相似，使用无基因操作的化学重编程方案开发了单细胞系胚胎模型构建策略，利用相同基因背景的细胞更高效的模拟了E8.5-E8.75的胚胎发育。类胚胎重现了脑形态发生、心脏搏动、体节形成及原始生殖细胞迁移等事件。
本研究的优越性在于提示了AL方案跨物种普适性，人源nESCs中诱导双阳性细胞达48.7%，且具备与第6-7天胚胎相似的EPI/TE双谱系特征。其次本研究还建立了同一细胞起源，分别向TE-like与PrE-like细胞诱导的策略，两种谱系的诱导方法均高效快速，为研究人员单独研究TE或PrE的分化机制提供了良好的平台。这些技术突破不仅大幅简化了实验操作，还提高了实验的可重复性和效率，使得类胚胎构建从复杂的多细胞系组合转向更可控的单细胞系体系。本研究可以长期维持OCT4⁺/CDX2⁺状态也是其优势之一，提示早期胚胎发育早期的祖细胞可以被获取并稳定培养。
本项研究的类胚胎依然不能实现翻转并发育至E9.5之后，这是之后的重要研究方向。另一方面本研究虽然可以利用BPSCs构建类囊胚，但是其体内发育仍然受限，不能产生完整的体内胚胎。
参考文献：
[1]TARAZI S, AGUILERA-CASTREJON A, JOUBRAN C, et al. Post-gastrulation synthetic embryos generated ex utero from mouse naive ESCs [J]. Cell, 2022, 185(18): 3290-306 e25.
[2]AMADEI G, HANDFORD C E, QIU C, et al. Embryo model completes gastrulation to neurulation and organogenesis [J]. Nature, 2022, 610(7930): 143-53.
[3]LI H, GUAN W, HUANG J, et al. A complete model of mouse embryogenesis through organogenesis enabled by chemically induced embryo founder cells [J]. Cell, 2025.
[4]YILMAZ A, GURHAN G, COMAR M Y, et al. Transgene-free generation of mouse post-gastrulation whole embryo models solely fro
m naive ESCs and iPSCs [J]. Cell Stem Cell, 2025.
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本文来源于微信公众号：BioArt 2025年08月30日 09:41