胚胎發(fā)育無(wú)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(gè)成長(zhǎng)過(guò)程卻只起始于由卵子和精子結(jié)合成的，一個(gè)看上去平淡無(wú)奇的單核細(xì)胞。這個(gè)單核細(xì)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(huì)啟動(dòng)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(gè)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(jī)體。在人類的歷史長(zhǎng)河中，人們總是對(duì)胚胎發(fā)育這一生命過(guò)程有著無(wú)可比擬的好奇心。在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，發(fā)育生物學(xué)家們應(yīng)用了多種動(dòng)物模型來(lái)探究胚胎發(fā)育過(guò)程，例如，蛙、斑馬魚和鼠?？墒菑男螒B(tài)，細(xì)胞種類和發(fā)育過(guò)程方面，這些動(dòng)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(dòng)物模型中獲取的胚胎發(fā)育知識(shí)并不能完全直接應(yīng)用到對(duì)人類胚胎發(fā)育過(guò)程的理解中。事實(shí)上，在免疫和癌癥等其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究表明動(dòng)物模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能直接地轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用中。

我們對(duì)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(shí)，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(yuǎn)沒有達(dá)到機(jī)理研究和臨床應(yīng)用的要求。目前，我們對(duì)于人類胚胎著床后（post-implantation）的早期發(fā)育的認(rèn)識(shí)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(gè)階段也被稱為人類胚胎發(fā)育的 “黑匣子” ?？墒?，許多非常重要的胚胎發(fā)育節(jié)點(diǎn)正是發(fā)生在這個(gè) “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(tuán)隊(duì)（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(bào)道了一種基于人類多功能干細(xì)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(xì)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(gè)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(shí)驗(yàn)手段。該微流體類胚胎模型還將會(huì)有助于合理設(shè)計(jì)用于疾病建模和細(xì)胞治療的多功能干細(xì)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(gè)發(fā)育節(jié)點(diǎn)是羊膜細(xì)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)可控的微流體系統(tǒng)來(lái)對(duì)人類多功能干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)微流體系統(tǒng)包括三個(gè)微流通道，分別用作類胚胎組織（embryonic-like sac）的生長(zhǎng)，多功能干細(xì)胞的注入，和傳遞細(xì)胞分化所需要的生長(zhǎng)素（morphogen）。此微流體系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)多功能干細(xì)胞團(tuán)的一部分進(jìn)行生長(zhǎng)素刺激，實(shí)現(xiàn)類羊膜細(xì)胞（amniotic-like ectoderm）分化，進(jìn)而腹背軸（dorsal–ventral patterning）的形成。如果在加入生長(zhǎng)素的同時(shí)，在多功能細(xì)胞團(tuán)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(gè)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(dá)95%。不僅如此，傅劍平教授的研究團(tuán)隊(duì)還在類胚胎組織中發(fā)現(xiàn)了類原始生殖細(xì)胞（primordial germ cell-like cells）。原始生殖細(xì)胞是所有兩性生殖細(xì)胞的前體細(xì)胞，對(duì)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(jìn)一步提供了這個(gè)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(shí)也為推進(jìn)當(dāng)前人類原始生殖細(xì)胞研究提供了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)手段。應(yīng)用此系統(tǒng)，傅劍平教授的研究團(tuán)隊(duì)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(xì)胞為原始生殖細(xì)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(hào)。這些發(fā)育引導(dǎo)信號(hào)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(dú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果能驗(yàn)證我們的這些新發(fā)現(xiàn)，但是基于人類干細(xì)胞形成的類胚胎組織和已知的其他靈長(zhǎng)類胚胎有著極高的相似性，我們?cè)谖闹刑岢龅娜祟惻咛グl(fā)育機(jī)制具有高度可信性。而且，我們可以預(yù)期，基于人類干細(xì)胞的類胚胎組織系統(tǒng)將會(huì)被其他生物學(xué)家進(jìn)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(kuò)展性，此基于人類干細(xì)胞的類胚胎組織培養(yǎng)發(fā)育系統(tǒng)為推進(jìn)人類胚胎學(xué)和繁殖學(xué)的進(jìn)展提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)工具。

該研究主要由密西根大學(xué)傅劍平教授團(tuán)隊(duì)完成，鄭毅博士承擔(dān)其中大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(dá)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(xiàng)研究工作。