《Reproductive Medicine and Biology》：Dissecting Human Embryogenesis With Blastoids: Insights Into Lineage Specification and Early Development
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背景：理解人类胚胎发生是发育生物学和生殖医学的基本目标，但直接研究人类胚胎受到伦理和技术限制。基于干细胞的囊胚模型已成为在体外重现人类早期发育关键特征的替代系统。方法：研究人员回顾了关于人类干细胞来源的胚胎模型的文献，重点关注胚状体(Blastoids)。通过
背景：理解人类胚胎发生是发育生物学和生殖医学的基本目标，但直接研究人类胚胎受到伦理和技术限制。基于干细胞的囊胚模型已成为在体外重现人类早期发育关键特征的替代系统。方法：研究人员回顾了关于人类干细胞来源的胚胎模型的文献，重点关注胚状体(Blastoids)。通过PubMed检索相关研究及综述文章，涵盖胚状体的生成策略、模型多样性，以及源自胚状体和多能干细胞(Pluripotent Stem Cell, PSC)研究的早期谱系特化见解。主要发现：胚状体为模拟人类囊胚发育的关键方面提供了多功能平台，包括谱系特化、胚胎-胚外相互作用及早期形态发生。近期研究证明了其在模拟植入相关过程、胚胎-母体相互作用以及对遗传、环境和药理学扰动的响应方面的效用。然而，现有系统仍受限于谱系代表性不完整及模拟植入后样发育的能力受限。干细胞生物学和培养系统的持续进展有望提高其保真度和发育潜能。结论：胚状体代表了一种研究人类早期胚胎发生的有前景的方法，预计将在生殖生物学和医学中扩展其应用。
1 引言
理解人类早期胚胎发生对于改进辅助生殖技术(ART)和阐明先天性疾病起源至关重要。受精后，合子经历一系列卵裂分裂，形成桑葚胚并最终发育为囊胚。成熟囊胚由三种主要细胞谱系组成：滋养外胚层(Trophectoderm, TE)，负责形成胎盘；下胚层(Hypoblast)，贡献于卵黄囊；以及上胚层(Epiblast, EPI)，作为胚胎本体的起源。这些谱系的适当建立和协调分化对早期胚胎发育至关重要。然而，由于早期发育过程发生在母体环境中，直接研究其分子机制和细胞动力学长期面临技术和伦理挑战。干细胞生物学的重大进展显著增强了对早期哺乳动物发育的研究，特别是胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells, ESCs)的衍生，使得部分发育过程得以在体外重现。在此基础上，研究试图利用干细胞重建胚胎发生的关键方面，催生了干细胞来源的胚胎模型(Stem Cell-Based Embryo Models, SCBEMs)。本文献综述聚焦于模拟植入前囊胚的胚状体(Blastoids)，探讨这些系统如何增进对谱系特化和人类早期发育的理解，并审视其在重现关键发育过程方面的程度及当前局限性。
2 胚状体生成策略
为了模拟囊胚，必须重现构成它的三种细胞谱系：上胚层、下胚层和滋养外胚层。目前生成胚状体的策略在概念上可大致分为两类：基于组装的方法(Assembly-based approaches)和自组织方法(Self-organization approaches)。
2.1 基于组装的方法
组装策略涉及通过诱导多能干细胞(Pluripotent Stem Cells, PSCs)的定向分化在体外生成主要的囊胚谱系，随后按特定比例和时间混合这些细胞群以促进囊胚样结构的形成。该方法的关键优势在于可以独立操纵和控制各个谱系。首个胚状体报道于小鼠研究中，通过将胚胎干细胞(ESCs)与滋养层干细胞(Trophoblast Stem Cells, TSCs)结合生成。相比之下，人类胚状体的组装方法相对有限，部分原因是缺乏完善的对应于下胚层和滋养外胚层谱系的干细胞系。
2.2 自组织方法
自组织策略依赖于多能干细胞(PSCs)的分化潜能，允许从单一细胞群中出现多个囊胚谱系。通常使用原始态(Na?ve) PSCs或体细胞重编程过程中出现的异质性细胞状态作为起始材料。人类原始态PSCs在特定培养条件下可分化为滋养外胚层和卵黄囊内胚层等胚外谱系，这一特性在未经基因修饰的小鼠原始态PSCs中不易观察到。多种人类原始态PSC的衍生方法已被报道，导致生成胚状体的方案因所用人类PSCs而异。自组织方法的优势在于利用了细胞固有的分化潜能。
2.3 评估与当前挑战
准确评估胚状体在多大程度上忠实重现自然胚胎发育至关重要。评估需要在形态学和分子水平上检测其与天然囊胚的相似性，关键标准包括三种囊胚谱系的存在及其相对比例、空间组织、细胞数量和定位，以及模拟后续发育阶段的能力。转录组分析被广泛用于评估胚状体与自然胚胎的相似性。然而，后续重新分析表明，在某些报道的胚状体中，最初被解释为滋养外胚层样细胞的部分群体可能实际上是羊膜样细胞(Amnion-like cells)，后者在植入后出现且与滋养外胚层共享部分重叠的基因表达谱。因此，严格评估胚状体的组成和谱系身份对于精确模拟人类胚胎发生至关重要。
3 胚状体形成中的谱系特化
胚状体形成依赖于上胚层、下胚层和滋养外胚层这三种囊胚谱系的协调出现。
3.1 上胚层
上胚层源自囊胚的内细胞团(Inner Cell Mass, ICM)，产生胚胎本体。在胚状体系统中，上胚层样细胞通常源自所使用的PSCs，并形成模型的中心胚胎区室。理解胚状体中的上胚层身份需要考虑其在体内的对应物。上胚层在植入前后表现出不同的转录和功能状态，分别称为原始态(Na?ve)和始发态(Primed)多能状态，近期研究还确定了介于两者之间的过渡态——形成态(Formative state)。尽管传统人类ESCs被归类为始发态PSCs，但许多胚状体方案使用原始态PSCs作为起始群体，因为它们捕获了植入前上胚层的特征并具有更广泛的发展潜能。人类原始态PSCs表现出向胚外谱系分化的能力，这是人类胚状体自组织的基础。
3.2 下胚层
下胚层源自ICM，参与卵黄囊形成和胚胎支持功能。在人类胚胎中，下胚层缺陷与植入潜能降低有关。近期单细胞转录组分析表明，下胚层是在人类植入前发育期间由ICM特化而来的。FGF/ERK信号通路被确定为人类下胚层诱导的关键调节因子。在人类胚状体中，下胚层谱系往往代表性不足，改善培养条件或建立稳定可靠的下胚层样干细胞将是解决这一问题的关键。
3.3 滋养外胚层
滋养外胚层形成囊胚的外上皮层，是胚胎与子宫的初始界面。在小鼠中，Hippo–Yap/Tead信号通路在这一过程中起核心作用。人类研究表明这一调控轴是保守的。在人类原始态PSCs中，抑制MEK/ERK信号通路联合Nodal抑制可有效诱导滋养外胚层样细胞。此外，调节Hippo–YAP信号可进一步增强诱导效率。为了更精确地剖析谱系特异性功能，能够独立操纵各谱系的基于组装的胚状体系统正成为一种重要的补充。然而，迄今为止尚未报道对应于人类植入前滋养外胚层的可长期扩增的细胞系。
4 胚状体的应用与见解
胚状体提供了一个多功能的实验平台，能够进行天然人类胚胎难以或无法进行的分析。
4.1 评估环境对胚胎发生的影响
胚状体提供了一个可扩展的平台，用于在受控条件下研究外部因素如何影响早期人类发育。例如，抑制mTOR信号可诱导胚状体进入休眠样状态，表明滞育样调控机制可能在人类中是保守的。
4.2 剖析细胞动力学和分子机制
胚状体通过成像和遗传扰动方法为剖析细胞动力学和分子机制提供了强大平台。例如，分析滋养外胚层的扩张和内细胞团的分裂模式，为单绒毛膜双胎起源提供了见解。
4.3 作为植入模型的胚状体
胚状体为在体外模拟人类植入提供了平台。与传统的滋养层癌细胞系相比，人类胚状体能够从滋养外胚层可重复地模拟滋养层分化为合体滋养层(Syncytiotrophoblast)和绒毛外滋养层(Extravillous Trophoblast)。结合子宫内膜类器官(Endometrial organoids)平台，可以进一步分析胚胎-母体相互作用。
4.4 重现植入后样发育
当在三维细胞外基质环境中培养时，人类胚状体可表现出类似早期植入后发育的特征，包括原条样结构(Primitive streak-like structures)、与原肠运动样过程相关的早期谱系多样化、前后轴样模式化以及原始生殖细胞样细胞(Primordial germ cell-like cells)的出现。然而，胚状体系统能否稳健且可重复地模拟植入后发育仍然有限，通常通过使用源自植入后样状态的系统实现更先进的模型。
5 未来展望与挑战
胚状体为剖析植入前和早期植入后阶段人类发育过程中的基因功能和时空信号相互作用提供了强大平台。其效用预计将通过整合母体组织模型进一步扩展，从而研究胚胎-母体相互作用。利用患者来源的PSCs可能进一步研究不孕症和复发性流产的机制。此外，胚状体系统的可扩展性使得能够系统地、高通量地研究环境和药理学扰动。尽管取得了这些进展，目前的胚状体系统在忠实模拟植入后样发育方面仍然受限，这可能反映了与自然囊胚的差异，包括谱系组成不平衡以及细胞和表观遗传状态的偏离。随着胚状体系统越来越接近自然胚胎的某些特征，仔细考虑伦理界限和治理框架变得至关重要。根据国际干细胞研究学会(ISSCR)指南，禁止将人类SCBEMs移植入子宫用于生殖目的。明确研究目标，同时持续发展实验能力和伦理治理，对于确保该领域的负责任和有意义的推进至关重要。
