科學家突破性發現：細胞自主組裝成胚胎模型

科學家們最近找到了一種無需使用真實胚胎就能研究早期胚胎發育的方法。透過CRISPR技術，他們成功讓幹細胞自主組織成模仿早期胚胎的結構。這些細胞展現出驚人的集體行為，彷彿本能地知道該如何行動。這項突破讓研究人員能夠探索基因對發育的影響、生殖挑戰以及潛在的生育治療，而無需使用真實胚胎。

受精後的最初時刻，當精子與卵子相遇時，仍然是生物學中最大的謎團之一。來自不同領域的科學家都對單一細胞如何發展成複雜生物體感到著迷。在許多動物中，這種轉變發生在子宮的保護環境內，使得直接觀察變得困難。因此，研究人員難以完全理解早期發育中可能出錯的地方，以及外部因素如何可能阻礙胚胎的形成。

為瞭解決這些挑戰，加州大學聖克魯茲分校的科學家們設計了一種細胞模型，能夠複製胚胎發育的最初幾天，而無需使用真實胚胎。他們利用CRISPR技術，引導幹細胞自主組織成可程式設計的胚胎樣結構，稱為「胚胎樣體」。這些實驗室培養的細胞組裝並非真正的胚胎，但能密切模仿早期發育的關鍵方面，為研究基因和環境對胚胎形成的影響提供了強大的工具。他們的研究成果於3月20日發表在《細胞幹細胞》期刊上。

「作為科學家，我們對在培養皿中重現和重新利用自然現象（如胚胎形成）感興趣，這使得我們能夠進行那些在自然系統中難以進行的研究，」生物分子工程助理教授兼該研究的資深作者阿里·沙裡亞提表示。「我們想知道細胞如何自主組織成胚胎樣模型，以及在病理條件下，什麼可能出錯，導致動物無法成功發育。」

沙裡亞提是幹細胞工程領域的專家，該領域利用幹細胞（可以形成任何型別細胞的非特化細胞，如腸道或腦細胞）來研究和解決生物和健康問題。該專案由加州大學聖克魯茲分校的博士後學者傑拉爾德·洛德維克和生物分子工程校友、現任加州理工學院研究生的小月木佐賀領導，他們使用實驗室中常見的小鼠幹細胞，引導它們形成胚胎的基本構件。

研究團隊使用了一種稱為「表觀基因組編輯器」的CRISPR技術版本，該技術不會切割DNA，而是修改其表達方式。他們針對已知與早期胚胎發育相關的基因組區域，從而控制哪些基因被啟用，並誘導早期發育所需的主要細胞型別的形成。

「我們使用幹細胞，它們就像一張空白畫布，並利用我們的CRISPR工具誘導不同的細胞型別，」洛德維克說。這種方法的優勢在於允許不同細胞型別共同發育，這比其他科學家使用的化學方法更接近自然胚胎形成。

「這些細胞共同發育，就像在真實胚胎中一樣，並建立了一種鄰居關係的歷史，」沙裡亞提說。「我們不改變它們的基因組或將它們暴露於特定的訊號分子，而是啟用現有的基因。」

研究團隊發現，80%的幹細胞在幾天後自主組織成模仿胚胎最基本形式的結構，並且大多數細胞經歷了基因啟用，反映了活體生物中的發育過程。「細胞自主組織的方式以及分子組成都非常相似，」沙裡亞提說。「這些細胞幾乎不需要我們的幹預——它們似乎已經知道該做什麼，我們只是給予一點指導。」

研究人員觀察到，這些細胞在移動和組織過程中展現出集體行為。「其中一些細胞開始進行旋轉遷移，幾乎像鳥類或其他物種的集體行為，」沙裡亞提說。「透過這種集體行為和遷移，它們能夠形成這些令人著迷的胚胎模式。」

擁有一個準確反映活體生物早期胚胎的基準模型，可以讓科學家更好地研究和學習如何治療發育障礙或突變。「這些模型更完整地反映了早期發育階段的情況，並能夠捕捉背景，」洛德維克說。

CRISPR程式設計不僅允許科學家在實驗過程開始時啟用基因，還能夠啟用或修改對發育其他部分重要的基因。這使得胚胎模型具有可程式設計性，意味著它們可以相對容易地受到高度控制的影響，以針對和測試多個基因在胚胎模型發育過程中的影響，從而揭示哪些基因在開啟或關閉時具有有害效應。

例如，研究人員展示了某些組織在早期發育中如何形成或受阻，但他們的方法可以用來研究廣泛的基因及其對細胞型別的連鎖效應。「我認為這是這項研究的開創性工作——可程式設計性以及我們不依賴外部因素來完成這項工作，而是在細胞內部擁有大量控制權，」沙裡亞提說。

研究人員對這種方法如何用於研究其他物種感興趣，從而能夠在不使用它們真實胚胎的情況下觀察它們的胚胎形成。這項研究可以幫助研究導致早期生殖失敗的瓶頸。在哺乳動物中，人類面臨更多的生殖挑戰，因為人類胚胎往往無法著床或建立正確的早期組織形式。理解為什麼會這樣可能有助於在改善人類生育能力方面取得進展。

參考文獻：Self-organization of embryonic stem cells into reproducible pre-gastrulation embryo models via CRISPRa programming 20 March 2025, Cell Stem Cell.DOI: 10.1016/j.stem.2025.02.015