综述：小鼠干细胞来源的合成胚胎模型：研究早期胚胎发育的工具

《Medicine in Novel Technology and Devices》：Mouse stem cell derived-synthetic embryo models: a tool to study early embryo development

这篇综述系统阐述了小鼠干细胞来源的合成胚胎模型（ESC/TSC/XEN）在模拟早期胚胎发育中的突破性进展，涵盖囊胚样结构（blastoid）、原肠胚样结构（gastruloid）和类全胚胎（embryoid）的构建策略，重点探讨了多能干细胞（EPSC）、全能干细胞（TotiPSC）与胚外谱系细胞的协同作用机制及其在发育生物学和再生医学中的应用前景。

　　

1. 引言

胚胎干细胞（ESC）在体外自组装形成复杂胚胎样结构的能力，为研究早期发育提供了革命性工具。近年来，随着培养体系的优化，干细胞可自组织成高度模拟天然胚胎的合成胚胎，重现从神经胚形成到早期器官发生的核心事件。本文聚焦小鼠模型中多能性干细胞与胚外谱系细胞的协同作用，解析合成胚胎在发育机制研究和临床转化中的潜力。

2. 细胞组分

2.1 胚胎干细胞

ESC源自囊胚内细胞团（ICM），在含2i/LIF的化学限定培养基中维持多能性。研究发现，ERK抑制剂PD0325901长期使用会导致基因组不稳定，而Activin A替代可显著改善这一缺陷。值得注意的是，ESC在三维培养中可形成类似植入期外胚层（EPI）的玫瑰花结结构。

2.2 胚外内胚层干细胞

XEN细胞表达原始内胚层（PrE）标志物，但稳定性较差。通过过表达Gata4/Gata6或化学诱导，可获得具有更强发育潜能的原始内胚层干细胞（PrESC），其共表达OCT4与GATA4/6，是合成胚胎的理想材料。

2.3 滋养层干细胞

TSC源自滋养外胚层（TE），依赖FGF4/heparin维持。尽管CDX2过表达可将ESC转化为TSC样细胞，但合成胚胎中TSC比例常低于天然胚胎，这成为限制模型完整性的关键瓶颈。

2.4 扩展多能干细胞

EPSC的突破性在于其双向贡献胚胎与胚外组织的能力。单细胞嵌合实验显示，EPSC可参与形成胎盘、卵黄囊甚至完整小鼠。LCDM培养基诱导的EPSC能自组织形成具有父源X染色体失活（XCI）的类囊胚结构。

2.5 全能干细胞

TBLCs通过剪接抑制策略捕获2-4细胞期全能性，单细胞即可高效形成囊胚样结构。化学诱导的全能干细胞（ciTotiSC）在分子和功能上高度模拟2细胞期卵裂球，为研究早期命运决定提供了新范式。

3. 类囊胚构建

3.1 ESC与胚外谱系组合

ESC与TSC聚合形成的类囊胚虽能诱导蜕膜反应，但无法完成植入后发育。加入XEN细胞的三组分模型（ETX-embryoid）可突破这一限制，实现原肠胚样A-P轴形成，但存在原始条纹（PS）缺失等问题。

3.2 EPSC衍生类囊胚

EPSC类囊胚的滋养层样细胞（TE-like）实际为PrE谱系细胞，这解释了其植入后发育紊乱的原因。通过四倍体TE重建的双谱系结构（BELS）首次获得存活小鼠，标志着功能化类囊胚的重大突破。

3.3 全能干细胞类囊胚

TBLCs衍生的类囊胚在转录组和形态发生上最接近天然囊胚，能自发完成从 compaction 到极性建立的发育事件，并可在体内形成E6.5样圆柱体结构。

4. 类全胚胎进展

4.1 细胞力学机制

经典"差异粘附假说"（DAH）与"差异界面张力假说"（DITH）在合成胚胎中展现阶段性作用：E-cadherin/P-cadherin/K-cadherin构成的"粘附密码"驱动初始组装，而肌球蛋白II介导的张力维持结构稳定。表面张力增加导致的"堵塞效应"是空间错位无法自我修正的关键。

4.2 发育事件重现

EiTiX-embryoid可精准模拟：

• •

  远端 visceral endoderm（DVE）迁移与CER1/OTX2梯度建立

• •

  Brachyury⁺ 原始条纹延伸

• •

  原始生殖细胞（PGC）在胚胎-胚外边界特化

• •

  神经管闭合与体节（somite）形成

• •

  搏动心脏管中NKX2.5⁺心肌前体空间排布

5. 人类模型与伦理

人类类囊胚存在TE层缺陷，植入成功率不足1%。2021年"14天准则"修订引发热议——合成胚胎为研究神经嵴等晚期事件提供了伦理缓冲方案，但需警惕基因编辑滥用风险。

6. 应用展望

合成胚胎在六大领域展现价值：

1. 1.

   组织边界紊乱疾病（如神经管缺陷）建模

2. 2.

   BMP/WNT信号梯度与谱系决定研究

3. 3.

   囊胚腔形成的力学机制（空化vs空心化）

4. 4.

   复发性流产的植入失败模拟

5. 5.

   CRISPR构建特定突变模型进行药物筛选

6. 6.

   具有空间秩序的器官前体（如脑区神经回路）生成

7. 结论

尽管合成胚胎已实现从囊胚到器官前体的跨越，但胎儿发育的完全模拟仍面临挑战。未来需整合原子力显微镜（AFM）等交叉技术，揭示机械-化学-生物耦合信号在母胎界面物质转运中的作用，为生殖医学与再生治疗开辟新途径。