Nature:科学家首次纯体外培养,干细胞“变”卵细胞

2016-10-19 10:40 来源: 生物探索
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在体外,从胚胎干细胞分化而成的成熟卵细胞(图片来源:Hayashi实验室)

  10月17日,《Nature》期刊在线发表一篇重磅文章,揭示日本科学家成功在实验室利用小鼠胚胎干细胞(ESCs)和诱导性多能干细胞(iPSCs)培育出成熟且具有生育能力的卵细胞。

  这一研究为卵细胞发育研究提供了范本,且有望促进科学家将类似的技术体系运用在人类干细胞上。更为重要的是,这一技术获得的卵细胞能够用于繁殖。

  第一次:在体外实现从多能干细胞培育成熟卵细胞的过程

  小鼠卵细胞的前身是雌性原始生殖细胞(PGCs)。PGCs形成于胚胎发育的初期(约6.5天),经过一系列分裂形成卵母细胞,并在小鼠成年后在激素的调控下生成成熟的卵细胞。一直以来,利用多能干细胞诱导分化出具有活性的卵细胞是发育生物学研究的热点之一。

  现在,基于十多年的研究背景,日本九州大学的干细胞生物学家Katsuhiko Hayashi团队成功实现了这一目标,他们以多能干细胞为材料,培育出小鼠生殖细胞(卵细胞、精细胞)。

  早在2012年,Hayashi团队就已经研发出将小鼠胚胎干细胞、诱导性多能干细胞诱导出原始生殖细胞的技术。但是体外培养5天后,研究人员需要将这些原始生殖细胞移植入成年小鼠体内,只有这样才能获得卵母细胞。

  2016年7月,Hayashi团队在实验室实现了小鼠卵巢环境的重建,为原始生殖细胞的发育提供了支持,从而生成成熟、可育的卵细胞。这意味着,他们能够在体外完成胚胎干细胞分化、卵细胞发育整个一系列过程,共计需要约30天时间。

  这一最新技术打开了胚胎干细胞(ESCs)、诱导性多功能干细胞(iPSCs)培育卵细胞的新征程。成熟卵细胞的获得需要经历两个重要的步骤:

  首先,科学家们将ESCs、iPSCs诱导分化成不成熟的原始生殖细胞;

  随后,这些前体细胞将在体外培育至少一个月时间,期间需要提供类似卵巢环境的支持,例如发育3周内添加雌激素抑制剂,以促进卵母细胞在体外构建卵泡结构;随后添加促卵泡激素和其他两个因素促进卵泡的发育。

  最终,研究团队在体外获得50多个成熟的卵细胞。但是这些卵细胞出现染色体异常的概率远远超出正常卵细胞异常的概率,但是幸好的是,75%的卵细胞染色体数量正常。

  卵细胞经过体外受精生成胚胎,可生育健康的下一代

实验室培育的卵细胞经过受精、胚胎发育后生下的健康小鼠(图片来源:Hayashi实验室)

  他们将实验室培育的卵细胞与精细胞融合完成受精过程,共获得300多个胚胎。但是当把这些胚胎移植至代孕鼠子宫后,仅仅只有11例胚胎完成发育并产下足月的幼鼠。这意味着,这一技术生育下一代的成功率仅仅达到3%,远远低于成年小鼠体外受精生育的概率(62%)。

  对于这一低成功率,科学家还未找到原因。

  但是,研究人员表示,实验室培育的卵细胞经过受精获得的胚胎,研究人员能够从中再次获得ES细胞。这意味着,科学家可以在实验室构建雌性生殖细胞的“循环”。

  虽然目前的研究成果会生成有缺陷的卵细胞,生殖成功率低,且短时间内不能运用于人类生殖细胞中,但是这一技术有助于科学家们找到调控卵细胞发育、成熟的关键因素。在实验室培育卵细胞,有助于更精细地弄清楚卵细胞发育的过程。

  体外获得人类卵细胞?

  除了研究卵细胞发育,这一技术还预示着新可能:

  我们能够在实验室环境下将皮肤或者其他捐赠细胞重编程分化成人类卵细胞,甚至于获得转基因卵细胞。它将为患有不孕不育疾病的女性提供新的选择和机会。然而,任何涉及人类细胞的尝试都需要投入很多工作和时间。

  当然,这样的治疗思路无疑将面临着新一轮的伦理质疑。如果研究人员能够用皮肤细胞甚至于经过基因改造的胚胎干细胞生成卵细胞,它势必会再次引发“设计婴儿”的顾虑。

  一些科学家警告,任何试图重建卵细胞发育这一复杂过程的试验都肯定会遗漏目前我们还未研究清楚的重要因素。卡内基科学研究所的卵原细胞发育研究员Allan Spradling解释说:“诱导生成生殖细胞需要经历很多实验室操作,每一步都存在安全隐患,导致细胞异常。所以现有的技术无法挖掘出哪些关键因素发挥着决定性作用。”

  但是,Hayashi强调,目前的研究还处于初期,距离临床应用还很远。现在,他和他的团队正在将这一新技术运用到灵长类动物中。同时他们还需要找到规避缺陷卵细胞的方法。