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近年來，基于胚胎干細胞體外構建的“類囊胚”、“類原腸胚”以及“軀干樣結構”等胚胎類似模型[1-3]，幫助人們更加深入地理解脊椎動物形態發生的機制，同時也為研究發育相關疾病提供了補充模型。目前，這些體外模型能夠重現和模擬體內重要的發育生物學事件，例如：體軸建立、胚層分化和細胞的定向運動等。然而，目前尚沒有較好的方法在體外誘導出脊椎動物較為完整的頭部結構，其可能的原因是目前的模型都未能充分模擬原腸運動過程中一些非常重要的發育學事件，例如：胚孔的形成和中內胚層的內卷運動，這些過程對于神經外胚層的正確誘導和圖式形成發揮重要的功能。

2023年4月4日，浙江大學醫學院徐鵬飛團隊與哈佛大學醫學院Sean G. Megason團隊合作，在Cell Reports上發表題為"Nodal coordinates the anterior-posterior patterning of germ layers and induces head formation in zebrafish explants" 的研究論文，報道了利用斑馬魚胚胎干細胞體外構建一個頭部類似結構。

徐鵬飛團隊之前的研究報道在斑馬魚胚胎動物極頂的囊胚細胞或者是斑馬魚胚胎外植體（Explant）中構建Nodal和Bmp兩種形態發生素（Morphogen）的濃度梯度能夠誘導一個完整的胚胎體軸[4]，但是這兩種形態發生素各自發揮什么功能仍不清楚。在小鼠胚胎干細胞團中構建BMP4的濃度梯度，細胞團會發育成類似于神經發生時期的小鼠胚胎，但缺乏腦部組織，尤其是前腦[5]。在本研究中，研究人員在斑馬魚外植體中構建Nodal信號的濃度梯度，通過活體成像技術和Imaris定量分析，發現Nodal會誘導外植體產生胚胎原腸運動時期關鍵的細胞運動，集中延伸運動和內卷運動（圖1）。

圖1 Nodal在斑馬魚外植體中誘導集中延伸運動和內卷運動。

研究人員繼續通過單細胞轉錄組測序和原位雜交技術，構建了從原腸前期到器官生成時期Nodal外植體的細胞分子和空間圖示的高分辨動態圖譜。通過進一步分析發現：Nodal誘導的中內胚層細胞，包括：前部內胚層、前脊索板、脊索以及類尾牙位于外植體中間沿著前-后軸依次排列。令人驚奇的是位于外植體外圍的神經外胚層細胞同樣沿著前-后軸依次特化為前腦、中腦、后腦和脊髓。Nodal外植體在原腸運動時期逐步發育成一個頭部類似結構（Head Like Structure）（圖2）。

圖2 Nodal外植體原腸末期（10 hpf）細胞分子和空間圖式圖譜

通過bulk RNAseq和腹側過表達實驗，研究人員解析了Nodal發揮“組織者”功能的分子基礎，他們篩選得到105個Nodal下游靶基因，其中有14個基因具有第二體軸誘導能力，其中5個基因能夠誘導完整或部分的頭部結構（圖3）。

圖3 Nodal發揮“組織者”功能的分子基礎

此項研究不僅幫助我們進一步理解脊椎動物的頭部發育，更重要的是，為體外誘導脊椎動物頭部發生提供了可行的策略，這將為更進一步研究脊椎動物頭部發育和相關疾病提供了一個優良的模型。同時，這項工作提供了大量的轉錄組數據和原位雜交數據，為我們進一步解析脊椎動物胚胎發育過程中胚層分化的分子機制、頭部圖式形成以及Nodal下游的信號通路提供了寶貴的數據資源。這些體外類胚胎技術的成熟與進步將會進一步推進器官移植和再生醫學的發展。

浙江大學徐鵬飛教授和美國哈佛大學醫學院Sean G. Megason教授為本文的共同通訊作者，浙江大學醫學院程濤博士和邢延奕博士為論文的共同第一作者。該研究受到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。該工作致敬著名的發育生物學家Bernard Thisse教授（1959-2021）。研究過程中還受到弗吉尼亞大學Christine Thisse教授，浙江大學馬駿教授、楊小杭教授和管敏鑫教授的大力支持。

參考文獻：

1. Beccari, L., Moris, N., Girgin, M., Turner, D.A., Baillie-Johnson, P., Cossy, A.C., Lutolf, M.P., Duboule, D., and Arias, A.M. (2018). Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature 562, 272-276. 10.1038/s41586-018-0578-0.

2. Moris, N., Anlas, K., van den Brink, S.C., Alemany, A., Schroder, J., Ghimire, S., Balayo, T., van Oudenaarden, A., and Martinez Arias, A. (2020). An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature 582, 410-415. 10.1038/s41586-020-2383-9.

3. Veenvliet, J.V., Bolondi, A., Kretzmer, H., Haut, L., Scholze-Wittler, M., Schifferl, D., Koch, F., Guignard, L., Kumar, A.S., Pustet, M., et al. (2020). Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites. Science (New York, N.Y.) 370. 10.1126/science.aba4937.

4. Xu, P.F., Houssin, N., Ferri-Lagneau, K.F., Thisse, B., and Thisse, C. (2014). Construction of a vertebrate embryo from two opposing morphogen gradients. Science (New York, N.Y.) 344, 87-89. 10.1126/science.1248252.

5. Xu, P.F., Borges, R.M., Fillatre, J., de Oliveira-Melo, M., Cheng, T., Thisse, B., and Thisse, C. (2021). Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre. Nature communications 12, 3277. 10.1038/s41467-021-23653-4.