从生物学的角度来看，生命的最早阶段是最神秘的。正在发育的人类胚胎经历了一系列快速变化，这些变化非常难以研究，因为它们在子宫的范围内发生。
但是，借助新技术，我们很快就有可能填补我们对早孕和发育的理解上的重要空白。洛克菲勒科学家最近使用干细胞创建了早期胚胎组织的三维模型，使他们能够模拟在时间和空间中发生的发育过程。研究人员希望这种工具最近在Nature Cell Biology的一份报告中得到证实，它可以进一步阐明指导胚胎生长的过程，并最终促成促进健康怀孕的创新。
发展的维度
使用干细胞模拟早期胚胎发育的概念最初是在Ali H. Brivanlou，Robert和Harriet Heilbrunn教授以及Eric D. Siggia，Viola Ward Brinning和Elbert Calhoun Brinning教授的实验室中开发的，他们发表了他们的初步研究尽管从那时起做了几个重要的发现，Brivanlou和Siggia知道他的系统在某些方面是有限的：传统的干细胞模型是二维的，不具有胚胎的实际形状，因此禁止研究人员提出与其结构相关的关键问题。
例如，科学家对胚胎附着于子宫的过程非常感兴趣- 这是成功怀孕的关键第一步。根据Siggia实验室的Simons初级研究员Mijo Simunovic的说法，在二维系统中研究这种复杂现象几乎是不可能的。
“附件本身就是一个三维问题，”他说。
为了解决这个问题，Brivanlou，Siggia和Simunovic使用跨学科方法开发了一个模拟大约14天大的人类胚胎的三维模型 - 发育阶段，胚胎发育的一个重要里程碑称为“原肠胚”地点。
“我们结合了几种技术 - 生物工程，物理和发育生物学 - 来创建这种模型，”Simunovic解释说，他指出，如果没有Siggia和Brivanlou实验室之间独特的长期合作，这项研究是不可能实现的。“我们现在有一个三维系统，不仅模仿胚胎的遗传指纹，还模仿它的形状和大小。”
当然，制作一个看起来像真正胚胎的模型是不够的：它也必须像一个人一样。因此，研究人员测试了他们的系统是否可以模拟动物发育中最基本的过程之一 - 这种现象称为对称性破坏。
打破对称，取得进步
在其最早阶段，胚胎包含对称的细胞球。然后，大约两周后，这种对称性开始消失，因为胚胎具有将成为身体各个部位的明显特征。
“对称性破坏几乎驱动了胚胎发育期间发生的一切，”Simunovic说。“我们的头看起来不像我们的脚，这是因为，在某些时候，胚胎分为两部分，前部和后部。”
事实上，这种断裂是人体发育过程中发生的身体轴线的第一次对称破坏，并且在附着到子宫后就会发生。他们推断，如果研究人员能够在他们的模型中引起这种破坏，那么他们就会知道他们的系统准确地模拟了一个真正的胚胎 - 至少在发育时期的这个关键时期。
为此，研究人员将他们的模型暴露于怀孕期间由胎盘释放的化学信号。通过一系列实验，他们发现添加一种称为BMP4的化学物质可靠地促使对称性破坏。
“我们添加了BMP4，两天后，三维文化的一部分成为未来的后部，而另一部分成为未来的前部，”Simunovic说。
除了阐明特定发育过程的化学性质之外，该结果具有意义。现在，科学家们可以成功地对3-D中的胚胎事件进行建模，这项研究的扩展可能会用于未来的妊娠并发症研究，例如不成功的依恋。
西蒙诺维奇说：“大约有50%到75%的胚胎没有附着，造成怀孕的巨大瓶颈。”“我们不知道为什么会这样，但使用这种模式我们可能会发现。”
Brivanlou指出，这个系统也可用于研究先天性疾病。“我们可以创建遗传条件的三维胚胎模型，并实时跟踪发育过程，”他说。“这些模型最终可以促进对各种疾病的理解，我们目前不知道哪里和何时出现问题。”