科學家們已經從幹細胞中創造了小鼠模型胚胎，這些胚胎擁有跳動的心臟，以及大腦和小鼠身體中所有其他器官的基礎。幹細胞是動物體內的主細胞，它可以發育成人體中幾乎任何細胞類型。這項工作是由劍橋大學和加州理工學院（Caltech）的研究人員完成的。
這些結果是10多年研究的結晶，它們可以幫助科學家理解為什麼一些胚胎會失敗，而另一些胚胎會繼續發育成胎兒，成為健康懷孕的一部分。此外，這些結果還可用於指導修復和開發用於移植的合成人體器官。
描述這一突破的論文於8月25日發表在《自然》雜誌上。這項研究是在加州理工學院生物和生物工程系Bren教授Magdalena Zernicka-Goetz的實驗室進行的。Zernicka-Goetz也是劍橋大學生理學、發育和神經科學系的哺乳動物發育和幹細胞生物學教授。
科學家們在開發胚胎模型的過程中沒有使用精子或卵子。 相反，通過引導哺乳動物早期發育中存在的三種不同的幹細胞，使它們開始相互作用，研究人員能夠在實驗室中模仿自然過程。科學家們能夠通過誘導一組特定基因的表達，並為它們的互動建立一個獨特的環境，讓幹細胞相互“溝通”。
隨着時間的推移，幹細胞自我組織成結構，通過連續的發育階段，直到合成胚胎有了跳動的心臟和大腦的基礎。它們甚至有了胚胎髮育的卵黃囊，並在最初幾周從那裡獲得營養。這是迄今為止在幹細胞衍生模型中實現的最先進的發展階段。
這項研究的一個重大進展是能夠生成整個大腦，特別是前部區域，這一直是合成胚胎髮展中的“聖杯”。
Zernicka-Goetz說：“這為在一個實驗模型中研究神經發育機制提供了新的可能性。事實上，我們在論文中通過敲除一個已經知道對神經管的形成、神經系統的前體以及大腦和眼睛的發育至關重要的基因來證明這一原則。在沒有這個基因的情況下，合成的胚胎完全顯示出與攜帶這種突變的動物一樣的大腦發育缺陷。這意味着我們可以開始將這種方法應用於大腦發育中功能未知的許多基因。”
她解釋說：“我們的小鼠胚胎模型不僅發育出了大腦，而且還有一顆跳動的心臟，以及繼續構成身體的所有組成部分。我們能走到這一步，實在令人難以置信。這是我們社區多年來的夢想，也是我們十年來工作的主要重點，而我們終於做到了。”
為了使人類胚胎成功發育，在將成為胚胎的組織和將胚胎與母親相連的組織之間需要進行“對話”。在受精后的第一周，有三種類型的幹細胞發育：一種最終將成為身體的組織，另外兩種將支持胚胎的發育。這后兩種類型中的一種，被稱為胚胎外幹細胞，將成為胎盤，連接胎兒和母親，提供氧氣和營養。另一種將成為卵黃囊，是胚胎生長的地方，在早期發育中從那裡獲得營養。
許多懷孕在這三種幹細胞開始相互發送機械和化學信號時失敗，這些信號告訴胚胎如何正常發育。
Zernicka-Goetz說：“這個早期階段是懷孕中其他一切的基礎。”如果它出錯，懷孕就會失敗。”
在過去十年中，Zernicka-Goetz的團隊一直在研究這些懷孕的早期階段，以了解為什麼有些懷孕會失敗，有些會成功。
Zernicka-Goetz說：“幹細胞胚胎模型很重要，因為它讓我們可以接觸到發育中的結構，而這個階段由於小胚胎植入母親的子宮，通常是不被我們發現的。這種可及性使我們能夠操縱基因，以了解它們在一個模型實驗系統中的發育作用。”
為了指導他們的合成胚胎的發展，科學家們把代表三種組織中每一種的培養幹細胞放在一起。他們讓它們按照一定的比例和有利於它們生長和相互交流的環境發展，導致它們最終自我組裝成一個胚胎。
研究人員發現，胚胎外細胞通過化學信號向胚胎細胞發出信號，但也通過機械方式，或通過觸摸，指導胚胎的發展。
Zernicka-Goetz說：“人類生命的這段時期是如此神秘，所以能夠看到它是如何在培養皿發生的–能夠接觸到這些單個的幹細胞，了解為什麼這麼多懷孕失敗，以及我們如何能夠防止這種情況的發生–是相當特別。我們研究了當時不同類型的幹細胞之間必須發生的‘對話’，我們已經表明它是如何發生的，以及它如何出錯。”
雖然目前的研究是在小鼠模型中進行的，但科學家們正在為人類胚胎髮育開發一個類似的模型，以了解關鍵過程背後的機制，否則就不可能在真實的胚胎中進行研究。
如果這些方法在未來被證明對人類幹細胞是成功的，它們也可以被用來指導等待移植的病人的合成器官的開發。Zernicka-Goetz說：“世界上有許多人在等待器官移植多年。使我們的工作如此激動人心的是，從中得出的知識可以用來培育正確的合成人體器官，以拯救目前失去的生命。通過使用我們所掌握的關於如何製造成人器官的知識，應該也可以影響和治癒成人器官。”