《Nature Methods》期刊在2023年12月6日發(fā)表了一篇名為《Method of the Year 2023: methods for modeling development》^[1] 的文章，文中將胚胎建模作為2023年的年度最佳方法。
那么這篇文章主要內(nèi)容是什么呢？以下便是對(duì)這篇文章的內(nèi)容解析。
在相關(guān)領(lǐng)域方法開(kāi)發(fā)的支持下，體外胚胎模型的研究徹底改變了我們對(duì)胚胎發(fā)生發(fā)育的理解。
發(fā)育過(guò)程始于單個(gè)細(xì)胞，然后以多細(xì)胞形式發(fā)展，并經(jīng)歷一輪又一輪的細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制和組織形態(tài)模式，最終形成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)體結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)和倫理方面的限制，研究人員一直無(wú)法掌握在妊娠期間控制受精卵發(fā)育成胎兒的復(fù)雜機(jī)制。然而，在過(guò)去的幾年里，方法開(kāi)發(fā)取得了巨大的進(jìn)步，揭示了胚胎發(fā)育的這些“黑匣子”事件。

圖片來(lái)源：Berna Sozen，Zernicka-Goetz 實(shí)驗(yàn)室

該領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性方法已經(jīng)成功在體外重現(xiàn)了胚胎發(fā)育的關(guān)鍵階段，從而重塑了我們對(duì)發(fā)育的理解。例如，2021年的兩篇具有里程碑意義的論文^[2,3] 報(bào)道了人類囊胚的體外模型，這是胚胎著床前的早期發(fā)育階段。今年早些時(shí)候，有研究小組^[4] 報(bào)告了一個(gè)人原腸前胚胎模型，該模型概括了羊膜和卵黃囊腔的形成、早期神經(jīng)發(fā)育和器官發(fā)生等關(guān)鍵事件。

通過(guò)結(jié)合胚胎外組織來(lái)研究植入后發(fā)生的事件，進(jìn)一步完善這些模型。例如，2023年發(fā)表的兩項(xiàng)研究報(bào)告稱^[5,6]，人類干細(xì)胞衍生的胚胎模型可以在體內(nèi)重現(xiàn)胚胎植入后14天的胚胎事件。

這些用于模擬人類發(fā)生發(fā)展的方法緊隨技術(shù)進(jìn)步和小鼠研究中首次報(bào)道的成就之后。兩篇開(kāi)創(chuàng)性論文^[7,8] 描述了源自小鼠干細(xì)胞的體外模型，該模型可以在受精后長(zhǎng)達(dá)8.5天的子宮內(nèi)重現(xiàn)天然小鼠胚胎。這些胚胎發(fā)育到器官發(fā)生階段，與胚外組織共同發(fā)育。該模型在形態(tài)學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析上與天然胚胎相似，且其復(fù)雜性導(dǎo)致了更真實(shí)的器官和組織發(fā)育。然而，雖然可以從動(dòng)物模型的發(fā)育過(guò)程中得出結(jié)論，但在這種情況下，人類胚胎發(fā)育的物種特異性特征很容易被遺漏。
由于這些復(fù)雜的模型用于深刻理解胚胎發(fā)育的機(jī)制，我們選擇了體外胚胎模型構(gòu)建的方法作為2023年的年度方法。

在本期特刊中，Magdalena Zernicka-Goetz^[9] 深入探討了報(bào)道的新胚胎模型。這些模型可以幫助研究人員研究形態(tài)發(fā)生背后的分子機(jī)制和組織形態(tài)模式背后的信號(hào)線索。Zernicka-Goetz提示研究人員，雖然這些胚胎模型帶來(lái)了新的見(jiàn)解，但它們遠(yuǎn)非是對(duì)體內(nèi)胚胎的完美再現(xiàn)。因此，當(dāng)務(wù)之急是要意識(shí)到系統(tǒng)的局限性以及它如何影響得出的研究推論。
體外模型的真實(shí)度必須始終針對(duì)于體內(nèi)來(lái)源的組織進(jìn)行驗(yàn)證。就胚胎組織而言，由于用于研究的胚胎有限以及圍繞人類胚胎操作的倫理問(wèn)題，這構(gòu)成了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。Muzlifah Haniffa^[10] 及其同事討論了單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)以及隨后的發(fā)育細(xì)胞圖譜如何成為測(cè)試胚胎模型有效性的重要基準(zhǔn)。

除了細(xì)胞圖譜的發(fā)展之外，單細(xì)胞技術(shù)也導(dǎo)致了復(fù)雜的譜系追蹤和軌跡分析方法的出現(xiàn)。盡管這些方法尚未廣泛用于人類胚胎模型，但它們?cè)诶L制細(xì)胞命運(yùn)事件圖譜方面發(fā)揮了重要作用，例如在人腦類器官^[11] 和斑馬魚胚胎^[12] 中。在一篇綜述中，Bushra Raj^[13] 描述了該領(lǐng)域方法論的新進(jìn)展及其在研究發(fā)展快照方面的潛力。
幾十年來(lái)對(duì)哺乳動(dòng)物胚胎體外培養(yǎng)方法的研究支持了先進(jìn)的胚胎模型。Hongmei Wang及其同事在他們的評(píng)論中探討了這一點(diǎn)^[14]。他們寫道，為了優(yōu)化體外胚胎的培養(yǎng)條件，仍然需要開(kāi)發(fā)模仿胚胎生理微環(huán)境的生物材料，以及研究細(xì)胞在胚胎發(fā)生階段所經(jīng)歷的機(jī)械環(huán)境的方法。
這一觀點(diǎn)在另一篇綜述中得到了Idse Heemskerk^[15] 及其同事的贊同，該綜述討論了最近的方法，這些方法現(xiàn)在允許研究人員繪制發(fā)育中的胚胎內(nèi)的力量。綜述探討了胚胎模型如何有可能闡明組織力學(xué)、模式和形態(tài)發(fā)生之間的相互作用。與此相關(guān)的是，Hervé Turlier^[16] 及其同事在同一期雜志上發(fā)表了一篇研究論文，報(bào)告了一種從小鼠和無(wú)序胚胎的3D熒光圖像中進(jìn)行力推斷的方法。由Noah Mitchell和Dillon Cislo撰寫的第二篇研究論文介紹了TubULAR16^[17]，這是一種用于分析動(dòng)態(tài)組織在形態(tài)發(fā)生過(guò)程中變形的組織制圖方法。
計(jì)算胚胎學(xué)是研究胚胎發(fā)育的一種新興方法。研究人員探索如何通過(guò)計(jì)算生成和干擾從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的虛擬胚胎。Patrick müller^[18] 團(tuán)隊(duì)的一篇研究文章描述了一種基于深度學(xué)習(xí)的方法，可以對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的胚胎之間的相似性進(jìn)行分級(jí)。在《Nature Methods》早期的一期文章中，同一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了EmbryoNet^[19]，可以分析斑馬魚胚胎表型并將它們與主要信號(hào)通路聯(lián)系起來(lái)。我們的新聞特輯^[20]還采訪了這一領(lǐng)域的研究人員，他們分享了關(guān)于數(shù)字胚胎及其未來(lái)的希望和挑戰(zhàn)。
在討論胚胎研究的進(jìn)展時(shí)，不得不考慮人類胚胎模型的倫理要求。倫理學(xué)家Nienke de Graeff、Lien de Proost和Megan Munsie在他們的綜述中^[21] 解釋了胚胎模型帶來(lái)了新的倫理問(wèn)題。他們討論了胚胎模型是否應(yīng)該遵循與類器官相同的指導(dǎo)方針，或者它們的發(fā)育潛力是否能賦予了它們新的地位。
胚胎模型，特別是人體系統(tǒng)，是一個(gè)令人興奮的新領(lǐng)域，得到了單細(xì)胞組學(xué)、生物材料和機(jī)械生物學(xué)領(lǐng)域并行方法開(kāi)發(fā)的支持。我們必須就這些方法的局限性以及體外人類胚胎模型的倫理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行公開(kāi)透明的探討。同時(shí)，我們希望您能和我們一起努力，因?yàn)槲覀冋J(rèn)識(shí)到這些方法不僅在揭示胚胎發(fā)生的細(xì)節(jié)方面具有潛力，而且在建模發(fā)育和妊娠相關(guān)疾病建模方面也具有潛力。

那么有什么樣的工具可以有助于體外胚胎建模方法呢？
奎克泰生物的JuLI™系列實(shí)時(shí)活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)能夠?yàn)轶w外胚胎建模實(shí)驗(yàn)提供所需要的工具。
無(wú)需復(fù)雜人工操作，省時(shí)省力；無(wú)需頻繁取出樣本影響穩(wěn)定生長(zhǎng)環(huán)境；可全面呈現(xiàn)胚胎培養(yǎng)情況；可獲取大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
JuLI™ Stage活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)能夠放置于培養(yǎng)箱內(nèi)，具有全自動(dòng)X-Y-Z軸、三色熒光、自動(dòng)/手動(dòng)對(duì)焦、Z-Stack、圖像拼接等功能。
可以對(duì)胚胎模型進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，拍攝記錄生長(zhǎng)周期的全過(guò)程，在保持胚胎生長(zhǎng)環(huán)境穩(wěn)定的情況下，同時(shí)對(duì)胚胎模型拍照，形成視頻，提供體外胚胎培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的量化結(jié)果。

JuLI™ Stage拍攝胚胎實(shí)驗(yàn)流程：

自動(dòng)化的活細(xì)胞成像分析系統(tǒng)可以捕獲最佳質(zhì)量的胚胎模型圖像，將大大提高胚胎體外建模以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的成功率。
我們希望您喜歡今年的年度方法，奎克泰生物祝您在2024新的一年研究順利、取得佳績(jī)，度過(guò)幸福溢滿的一年！

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