研究人员在培养皿里“雕刻”人类身体的形成方式

米开朗基罗的《大卫》捕捉到了人类形态的美，但100多年来，科学家们一直对这种完美的身体结构的发展感到困惑。由于技术限制和围绕人类胚胎研究的伦理问题，这个谜团一直难以揭开。

人类多能干细胞衍生的公轴细胞的免疫荧光染色。资料来源：Alev实验室（ASHBi/京都大学）

然而，现在，由京都大学人类生物学高级研究所（ASHBi）的Cantas Alev博士领导的一个国际科学家团队在《自然》杂志上发表的工作，利用他们自己的槌子和凿子--培养皿和诱导多能干细胞（iPSCs）--揭示了人类身体计划的早期阶段是如何建立的。

与动物界的其他生物类似，人体由重复的解剖单元或节段组成--一个突出的例子是人类脊柱的椎骨。人类胚胎中这种节段的最原始版本被称为体节，产生于一种被称为前中胚层（PSM）的胚胎组织，有助于形成各种结构，包括软骨、骨骼、皮肤和骨骼肌。

该论文的图表摘要。资料来源：Alev实验室（ASHBi/京都大学）/Misaki Ouchida

虽然Alev及其同事以前的工作重建了所谓的分割时钟，这是人类体节（somitogenesis）正常形成所需的分子振荡器和基因表达的动态"波"，但它不能再现人类体轴发育过程中发生的复杂的三维形态学和结构变化。

在他们的新研究中，Alev和同事使用由人类iPSCs衍生细胞和Matrigel（一种富含细胞外基质成分的粘性凝胶化合物）组成的混合物产生了一个三维模型，可以在一个培养皿里再现我们早期身体计划的发展，他们将其称为"公轴"。不仅捕获了分割时钟的振荡性质，而且还捕获了在分割和体细胞形成过程中观察到的分子以及三维形态和结构特征。

通过在他们的实验设计中采取自下而上的方法，Alev和他的团队发现了视黄醇（更常见的是维生素A及其衍生物）在体细胞形成过程中的一个以前未被重视的功能作用。对于揭示体细胞形成过程中视黄酮的作用至关重要。许多研究人员可能错过了这一重要作用，因为维生素A是一种常见的补充剂，通常被纳入培养基中。

当Alev的公轴细胞与实际的人类胚胎进行比较时，它们显示出"与卡内基第9-12阶段的人类胚胎有显著的相似性，众所周知，这是人类发育过程中的一个关键阶段，大脑和心脏等器官在这个时候开始形成"。

最后，利用含有通常与先天性脊柱疾病相关的突变的iPSCs，Alev和合著者证明，公轴细胞可以有助于确定这些突变如何有助于此类疾病的发病机制。

Alev评论说："我们（自下而上）生成公轴的方法不仅使我们能够解开基本的生物过程，如细胞形态和细胞状态，而且使我们能够确定突变如何导致脊柱疾病，我们还预计，为了更好地了解其他疾病的病因和病理，类似的策略将变得越来越必要"。