脊柱是所有脊椎動物骨骼的中心支撐結構，不僅為肌肉提供附著場所，還保護脊髓和神經根。脊柱發育缺陷會導致罕見遺傳性疾病。歐洲分子生物實驗室(EMBL)巴塞羅那分部研究人員創建了一個3D體外模型，該模型模擬了人類胚胎發育過程中產生脊柱的前體結構是如何形成的。研究成果近日發表在《自然·通訊》雜志上。

脊柱由33塊椎骨組成，它們形成一種成對的、被稱為體節的前體結構。體節不僅會產生椎骨，還會產生肋骨和骨骼肌。為了確保這些結構正確形成，體節發育受到嚴格調控，每對體節都在發育的特定順序時間點出現。這個過程由分段時鐘控制，分段時鐘是一組產生振蕩波的基因，每個波都會產生一對新的體節。

“我們第一次能夠在實驗室中創建與分段時鐘相關的周期性人類成熟體細胞對。”該研究的第一作者瑪麗娜· 真木松宮說。使用這種方法，研究人員開發了人類體節形成的3D體外模型。

在誘導細胞分化的信號分子混合物存在的情況下，研究團隊培養了人類誘導多能干細胞 (hiPSC)。3天后，細胞開始伸長并產生前(頂部)和后(底部)軸。研究人員再將一種神奇粉末基質膠添加到培養混合物中。這個過程最終導致了體外體節的形成。

研究團隊還研究了人類在胚胎發育方面與其他物種有何不同以及為何不同。他們用來理解種間差異的模型系統之一就是分段時鐘。此外。他們還發現了體節大小和分段時鐘之間的聯系。“生成的體節大小恒定，與用于初始體節的細胞數量無關。即使初始細胞數增加，體節大小也沒有增加。”真木松宮解釋道，這表明體節具有首選的物種特異性大小，這可能由局部細胞—細胞相互作用、分段時鐘或其他機制決定。

為了進一步研究這一點，研究團隊正計劃生長出不同物種的體節并進行比較。研究人員已在研究幾種哺乳動物，包括兔子、牛和犀牛，并在實驗室中建立了一個“干細胞動物園”。

研究人員表示，下一步將專注于從不同物種中創建體節，測量它們的細胞增殖和細胞遷移速度，以確定物種之間的體節生成有何不同以及如何不同。

關鍵詞： 研究人員 胚胎發育 以及如何 多能干細胞 的情況下