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我们对人类早期胚胎发育的理解仍然十分有限，主要因为可供研究的人类胚胎数量有限，且发育机制在不同物种之间缺乏保守性。进一步研究人类早期发育过程至关重要，不仅能推进基础生物学的发展，还能改善辅助生殖技术 (ART)，减少流产风险，并有助于了解先天性缺陷的形成及某些成人疾病的发育起源。
近年来的研究进展得益于建立了代表早期人类胚胎谱系的干细胞系。人类多能干细胞（PSC）展现出高度的细胞可塑性，使得研究人员能够将其引导分化为多种胚胎及胚外细胞类型。通过这些干细胞的自组织能力，科学家们成功在体外模拟了部分人类和非人类灵长类动物的胚胎发育过程。尽管这些模型仅能重现早期胚胎发育的某些特定阶段，但它们已经开始揭示细胞命运决定及细胞间通讯的机制。然而，基于干细胞的胚胎模型并不能完全取代真正的胚胎研究，而是作为补充工具，帮助科学家们深入理解胚胎发育的关键步骤和调控机制。在这些模型的支持下，研究者能够更好地探索控制细胞身份的信号通路和转录因子如何通过胚胎中的细胞间通讯进行调节。10月4日，比利时鲁汶大学Vincent Pasque团队在Cell Stem Cell期刊上发表了题为「Early human development and stem cell-based human embryo models」的综述文章，这篇综述重点讨论了人类胚胎发育前两周内的细胞命运决定机制，尤其是那些由信号通路和转录因子调控的关键过程。文章还详细介绍了当前研究中使用的干细胞类型和基于干细胞的胚胎模型，分析了它们的优势与局限性，并讨论了现阶段研究所面临的挑战以及克服这些挑战的潜在方法。植入前发育
人类胚胎发育的开始源于受精卵的形成，并经历了复杂的细胞分裂和分化过程，最终形成囊胚。这一过程可以分为几个关键阶段，每个阶段都有独特的形态和基因调控机制。![]()
最初，受精卵通过卵裂分裂，形成包含胚胎和胚胎外组织的细胞群。当胚胎约有10个细胞时，细胞间开始相互压缩，形成桑葚胚。在接下来的阶段，液体被泵入细胞之间，形成囊胚腔，标志着胚胎进入早期囊胚阶段。囊胚经历了几个收缩和扩张的周期，直到晚期囊胚阶段，包含大约200个细胞并准备好植入母体子宫。在此期间，胚胎的发育首先由母系遗传因素驱动，但随着胚胎转录的激活，基因调控程序和形态发生事件开始运行。这些事件为细胞命运的决定和自组织奠定了基础。在桑葚胚阶段，第一个细胞命运决定的发生通过形态变化和基因调控来分离出滋养外胚层（将来形成胎盘）和内细胞团（ICM）。外细胞中的极化现象是滋养外胚层形成的关键，涉及顶端极性决定因子（如非典型蛋白激酶 C (aPKC)）和基底侧细胞间黏附蛋白（如 E-钙粘蛋白）的定位。极化细胞通过 HIPPO 信号传导的调控，启动了滋养外胚层特化程序。内细胞团则保持无极性，随后发展为产生胚胎的细胞。基因调控因子如 YAP1 和 GATA3 在细胞中发挥关键作用，分别决定滋养外胚层与内细胞团的命运。在第二个细胞命运决定阶段，内细胞团进一步分化为外胚层和内胚层。外胚层细胞是未来所有胎儿组织的前体，而内胚层细胞则会形成胚外内胚层，负责营养供应。多个关键转录因子（如 NANOG、SOX2、OCT4）参与了这一过程中外胚层细胞的多能性维持，而成纤维细胞因子（如 PDGFRA）则决定了内胚层的特化。随着囊胚的发育，滋养外胚层与外胚层细胞之间逐渐建立起了分子交流。外胚层细胞分泌多种生长因子，如转化生长因子-β (TGF-β)、胰岛素样生长因子 1 (IGF1) 和成纤维细胞生长因子 (FGF)，而滋养外胚层细胞则分泌血小板衍生生长因子 (PDGF) 和 WNT 信号分子。这些分子交流在囊胚成熟过程中起着至关重要的作用。尽管人类胚胎发育的研究取得了显著进展，许多关键机制仍未被完全理解，特别是细胞命运决定和不同谱系特化的分子基础。随着基于干细胞的胚胎模型的进一步发展，科学家们有望更加深入地揭示这些调控机制，并为辅助生殖技术和疾病研究提供新的见解。在人类植入前胚胎发育过程中，几种干细胞类型在不同阶段发挥着重要作用，帮助科学家们理解细胞分化和多能性机制。以下是主要的几种干细胞类型及其特点：幼稚人类多能干细胞 (Naïve PSC) 类似于植入前胚胎外胚层细胞，具备高度的发育潜力，能够分化为囊胚内的三个主要创始谱系（滋养外胚层、外胚层和内胚层）。幼稚 PSC 的独特性在于其表观遗传上未受到限制，且不具谱系偏向性。它们可以通过不同的途径获得，如通过重编程体细胞、重置已启动的多能干细胞或直接从胚胎内细胞团（ICM）中分离。幼稚 PSC 的特征还包括低 DNA 甲基化水平、激活线粒体呼吸代谢，并具有两个活性 X 染色体。与更晚期的多能干细胞相比，幼稚 PSC 表现出更广泛的发育潜力。尽管如此，长期培养幼稚人类 PSC 可能会导致染色体不稳定或印记丧失。幼稚 PSC 由于其自我更新能力和多能性，成为研究早期胚胎发育和基因调控网络的理想平台。例如，TFCP2L1、KLF4 和 NANOG 等转录因子在维持幼稚多能性中发挥重要作用。未来的研究将进一步揭示幼稚多能性机制的遗传与表观遗传调控。![]()
2. 滋养外胚层干细胞 (Trophoblast Stem Cells, TSC)滋养外胚层干细胞是植入前和植入后的胚胎发育中非常重要的细胞类型，它们负责形成胎盘组织。在双重 MEK 和 NODAL 抑制的条件下，幼稚 PSC 可以分化为滋养外胚层样细胞，这些细胞表达滋养外胚层标志物 CDX2。然而，这些细胞尚无法长期维持在培养环境中。因此，稳定的人类滋养外胚层干细胞系的获得仍是一个亟待解决的挑战。3. 内胚层干细胞 (Hypoblast Stem Cells)内胚层是胚胎发育过程中产生胚外内胚层（如卵黄囊）的细胞类型，也是早期胚胎发育中重要的信号中心。尽管我们对其发育和成熟过程的理解有限，但通过比较胚胎内胚层与胚外内胚层的基因表达，研究人员已经确定了多个特定的标志物。为了在体外生成内胚层样细胞，研究者们通常会使用 ACTIVIN-A、WNT 和 JAK-STAT 通路的激活策略。不过，这些细胞的植入前特征尚存争议。另一种方法是通过预处理幼稚 PSC，使其进入 ICM 样状态，随后通过 FGF 和 WNT/NODAL 抑制诱导内胚层细胞的形成。植入和植入后发育
人类胚胎发育始于受精卵的形成，受精卵通过卵裂分裂形成胚胎和胚外组织。当胚胎细胞数量达到约10个时，细胞间的压缩促使桑葚胚的形成。随后，在约20个细胞阶段，液体被泵入细胞间，开始形成腔体，标志着胚胎进入早期囊胚阶段。囊胚经历多个收缩和扩张周期，最终进入晚期囊胚阶段，此时胚胎孵化，细胞数量增加到约200个，并准备植入母体子宫。直到八细胞阶段，发育主要由母系遗传因素驱动。然而，在四细胞阶段和八细胞阶段之间，胚胎转录的激活标志着基因调控程序和形态发生事件的开始，这为细胞命运决定和自组织奠定了基础。三个创始谱系——滋养外胚层、外胚层和内胚层——在发育的第一周内建立。在桑葚胚阶段，外细胞中的第一个细胞命运决定产生了滋养外胚层的极化上皮细胞，而内细胞团（ICM）细胞保持无极性。晚期囊胚中，ICM的细胞经历第二次谱系决定，分离出外胚层和内胚层细胞。外胚层细胞是所有胎儿组织的多能前体，而内胚层细胞则形成卵黄囊的胚外内胚层。第一个细胞命运决定：滋养外胚层与内细胞团 (ICM)第一个细胞命运决定通过形态变化、信号传导和基因调控程序的相互作用，将滋养外胚层与ICM分离。在大约十细胞阶段，顶端极性决定因子定位到细胞无接触域，而细胞间黏附蛋白E-钙粘蛋白则富集于基底外侧。外细胞中顶端基底极性的获得与HIPPO信号传导相结合，触发了第一个细胞命运决定。HIPPO信号通过下游激酶LATS1/2在外部极化细胞中受到抑制，使转录因子YAP1定位于细胞核，并与TEAD4一起激活转录因子GATA3，从而启动滋养外胚层的特化程序。内细胞团中的细胞则显示出细胞质中的YAP1，GATA3及滋养外胚层程序受到抑制。阻断极性或抑制GATA3的表达会影响滋养外胚层的特化。另有研究发现，TEAD4能够独立于GATA3调节CDX2，从而促进滋养外胚层的分化。TEAD1也与滋养外胚层的特化相关联。尽管如此，人类滋养外胚层特化的具体机制尚未完全清楚。多项研究证实，在外胚层和内胚层细胞分离之前存在一个中间ICM阶段。ICM细胞的特征包括表达LAMA4、IFI16（尽管也在外胚层中表达）和PDGFRA（在ICM中表达，随后局限于内胚层），并且缺乏水通道蛋白AQP3的表达。使用CRISPR基因组编辑技术研究转录因子OCT4的功能发现，敲除OCT4会导致滋养外胚层和多能性基因表达降低，胚泡发育受损，这与其他研究结果一致。此外，胰岛素生长因子1 (IGF1) 信号传导维持ICM的存在，而IGF1处理人类胚胎则促进ICM的增殖。目前尚不清楚是否有其他信号通路和转录因子参与ICM的指定。在第二个细胞命运决定阶段，ICM细胞分化为外胚层细胞和内胚层细胞。外胚层细胞是未来所有胎儿组织的前体，而内胚层细胞则形成胚外内胚层，负责营养供应。转录因子SOX2、OCT4和KLF17在第5天囊胚的大多数细胞中表达，到了第7天晚期囊胚阶段，这些转录因子仅限于外胚层。幼稚外胚层细胞通过核心多能性因子NANOG、SOX2和OCT4以及特异性因子如TFCP2L1、PRDM14、KLF4和KLF17维持多能性。转化生长因子β (TGF-β) 信号通路的关键成分在人类外胚层中富集，抑制TGF-β信号会消除NANOG的表达，表明该通路在指定人类ICM和幼稚多能外胚层中起着关键作用。与小鼠不同，人类的谱系尚未在囊胚中完全受限。人类滋养外胚层细胞仍能形成ICM细胞，且在双重MEK/NODAL抑制后形成滋养外胚层细胞。物种间细胞可塑性差异的分子基础尚不清楚，这种差异会影响基于干细胞的胚胎模型的设计策略。随着囊胚的成熟，滋养外胚层和外胚层之间建立了分子交流。外胚层细胞分泌多种生长因子，如TGF-β、IGF1、BMP2和FGF，而滋养外胚层细胞则分泌PDGF、IL-6和WNT。这些分子交流在囊胚成熟过程中起着关键作用，但其分子基础和不同途径的功能参与尚待研究。植入后，人类胚泡进入快速增殖和大规模重组阶段，形成身体结构和相关胚外膜的基础。研究植入后早期人类胚胎非常具有挑战性，但通过体外培养，人类胚胎可以在囊胚期后继续发育。体外培养的人类胚胎能够部分重现植入后早期的形态形成过程，包括羊膜腔化、初级卵黄囊形成和滋养层分化。这些胚胎在形态学、基因组学、转录和表观遗传学层面得到了广泛表征。在体外培养的人类囊胚中，外胚层细胞脱离幼稚多能状态，上调植入后因子的表达，代谢从氧化磷酸化转为糖酵解，获得DNA甲基化，并启动随机X染色体失活过程。部分外胚层细胞分化为羊膜，ExM细胞出现在外胚层、内胚层、羊膜和滋养层之间的边界，表现出上皮-间质转化特征，需WNT和BMP的双重激活。内胚层中，表达WNT、BMP和NODAL信号抑制剂的一小群细胞呈现不对称分布，这些细胞需要NODAL信号实现特征化，并通过BMP维持。尽管一些转录因子和信号通路已被确定，但人类胚胎内胚层细胞的发育机制仍不完全清楚。人类胚胎在囊胚期后仍可在体外培养。外胚层细胞在体外培养过程中脱离多能状态，上调植入后因子，代谢方式发生变化，并启动随机X染色体失活。一部分外胚层细胞分化为羊膜，ExM细胞则表现出上皮-间质转化特征，需要WNT和BMP的双重激活。ExM细胞的确切起源尚不清楚，可能来源于外胚层、内胚层或滋养层，或是多种来源的组合。体外培养的人类胚胎在初期可以启动植入后的形态形成，但随着时间推移，发育效率会逐渐降低，无法完全重现体内复杂的形态发生过程。这表明子宫环境可能在维持和引导胚胎发育中起着关键作用。尽管如此，结合CRISPR-Cas9基因组编辑技术与体外培养方法，干细胞系和基于干细胞的胚胎模型为研究人类发育过程提供了有前途的替代方案。传统的人类多能干细胞（PSC）是上皮细胞，需要ACTIVIN-A和FGF信号传导来维持。这些细胞在分子上与早期原肠胚形成期的外胚层相似，具备由NANOG、OCT4和SOX2控制的基因调控网络，并表现出引发多能性的特征。中间多能状态，即形成状态，被确认是生殖系和体细胞分化的能力状态。研究表明，小鼠外胚层细胞在植入和原肠胚形成之间的短暂发育窗口内对分化线索作出反应，处于幼稚状态和引发状态之间。在人类胚胎发育过程中，幼稚和启动多能状态之间存在7天的时间跨度，表明存在中间多能状态。最近的研究发现，一些被认为是幼稚的或表现出扩展多能潜能的细胞在转录上类似于早期植入后外胚层，属于中间多能性类别。这些中间多能细胞与形成中的人类PSC的相似程度尚未深入研究。未来，需在分子水平上仔细比较不同的多能培养物，以揭示细胞初始多能状态如何决定其形成胚外细胞的能力，从而更好地模拟人类胚胎发育的不同阶段。在人类胚胎中，外胚层细胞分化形成的第一个组织是羊膜。现已实现体外羊膜样细胞的生成，当在细胞外基质蛋白的3D凝胶中培养已引发的人类PSC时，这些细胞会以BMP依赖的方式形成羊膜球体。在二维培养中，存在BMP4的微图案中培养人类PSC会导致菌落最外层区域出现羊膜样细胞。定向分化方案通过添加BMP以及NODAL和MEK抑制剂，能够诱导羊膜样细胞的生成。然而，这些羊膜样细胞能否长期维持尚未探索。研究表明，早期植入后外胚层细胞会产生早期羊膜细胞，这些细胞在转录上与滋养外胚层细胞相似，而早期原肠胚细胞则产生晚期羊膜细胞，与非神经外胚层具有转录相似性。然而，在体外培养的原肠胚食蟹猴胚胎中未发现早期羊膜细胞，表明其最终命运尚未明确，可能需要进一步研究以理解其成熟过程。植入后内胚层是早期发育过程中的主要信号中心，但其发育和成熟过程尚不完全清楚。通过比较胚胎内胚层与胚外内胚层的基因表达，研究人员已鉴定出一组特定标志物。这些标志物在胚外表达，但在胚胎内胚层中不表达。通过同时激活ACTIVIN-A、WNT和JAK-STAT通路，研究者们已在体外获得内胚层样细胞，尽管其植入前特征受到质疑。另一种方法是通过预处理幼稚人类PSC，使其进入ICM样状态，随后通过FGF和WNT/NODAL抑制诱导内胚层细胞的形成。最近，通过激活FGF和BMP通路以及WNT/NODAL抑制，研究者们成功获得了人类内胚层样细胞。这种处理方法也促使猴子ICM中内胚层特化，但尚未在从人类囊胚中衍生出内胚层细胞。在滋养层干细胞（TSC）培养基中生长的幼稚人类PSC不仅会产生TSC，还会产生胚外中胚层（ExM）细胞。ExM细胞表达与内胚层、羊膜、中胚层和其他细胞类型相关的标志物，但其标志物组合是体内ExM所独有的。BMP4和mTOR通路与人类和猴子的ExM细胞维持有关，而WNT和BMP抑制会降低ExM的特化。通过这些途径，ExM细胞的出现机制尚不完全清楚，可能涉及外胚层、内胚层或滋养层的多重来源。人类外胚层经历一个能够进入生殖系的阶段，这对于描述体外生成原始生殖细胞（PGC）样细胞的方案至关重要。中间多能细胞在聚集并暴露于BMP后形成PGC样细胞，因此，细胞在去除幼稚因子后能够进行PGC特化。另一种方法是通过分化初期中胚层样细胞，诱导其进行PGC特化。这些细胞表现出活跃的NODAL和WNT信号传导，抑制OTX2，并表达中胚层相关基因，如EOMES。PGC特化的机制因初始前体而异，了解人类胚胎和人类PGC起源细胞中的活性机制至关重要。滋养层干细胞（TSC）具有自我更新能力，表达滋养层标志物如GATA3和TFAP2C，并展示特有的基因表达模式。符合标准的TSC已从人类囊胚和妊娠早期胎盘中获得，通过激活MAPK和WNT信号通路以及抑制TGF-β/NODAL、组蛋白去乙酰化酶和ROCK，可以维持双能性并分化为侵袭性绒毛外滋养层（EVT）和合体滋养层（SCT）。尽管如此，这些细胞在体内的对应物仍不明确。人类TSC的三维培养已被报道，这些滋养层类器官来源于妊娠早期胎盘，包含一层CT细胞，这些细胞能够自发分化形成SCT核，重现倒置绒毛结构。当从培养基中去除WNT激活剂时，侵袭性绒毛外滋养层细胞（EVT）也会被诱导生成。这表明，滋养层类器官能够捕捉绒毛CT细胞并在细胞间融合时生成SCT。然而，二维TSC和三维滋养层类器官捕捉到的是不同的祖细胞群。可以通过将中间型PSC暴露于BMP或将幼稚人类PSC暴露于TSC培养基来生成TSC。此外，幼稚人类PSC也可作为生成滋养层类器官的起点。从引发的人类PSC衍生的TSC一直存在争议，部分研究认为这些细胞代表羊膜样细胞。然而，通过在暴露于TSC培养基之前进行预诱导步骤以抑制TGF-β/NODAL和WNT信号传导，可以使引发的人类PSC分化为在转录和表观遗传学上与真正TSC相似的细胞。这些发现扩展了用于研究滋养层细胞和模拟胚胎发育的细胞类型、分化及重编程方案，但需要进一步比较不同的TSC系与体内胎盘，以准确映射体外干细胞系与体内对应物。基于干细胞的胚胎模型
在植入前的模型中，胚泡（Blastoids）通过从人类幼稚多能干细胞（PSCs）形成，重现了人类囊胚的主要特征，包括外胚层和滋养层的谱系形成。这些模型能够帮助研究人类早期胚胎发育的过程，特别是在植入前后的发育过渡。
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此外，植入后模型通过利用中级多能细胞在3D基质中自组织形成胚胎样结构。这些模型模拟了植入后阶段的人类胚胎，包括原肠胚形成、羊膜形成等多个关键发育事件，并通过结合多种干细胞谱系探索不同细胞之间的通讯和信号通路。
尽管取得了显著进展，胚胎模型仍存在一些局限，例如滋养层发育不全或某些细胞类型的缺乏。未来的研究方向在于改进这些模型的发育效率和细胞组织，以更好地模拟人类胚胎的自然发育过程。
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这类研究不仅为理解人类胚胎发育提供了平台，还可能对临床辅助生殖技术（ART）产生影响，并为改进胚胎培养条件提供依据。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.09.002
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