人类干细胞驱动的胚胎模型为发育生物学研究提供了重要的体外实验系统。本研究通过优化人胚胎干细胞（hPSCs）的 gastruloids（肠管体）培养方案，成功构建了具有明确形态和发育特征的人类 trunk-like structures（hTLS）。该模型在保留多能干细胞多向分化潜力的基础上，通过自组织信号网络实现了背腹轴（DV轴）和前后轴（AP轴）的初步形成，为研究体节与神经管共发育机制提供了创新平台。
### 模型构建与形态特征
研究团队在已有小鼠gastruloids模型基础上，通过调整细胞培养条件（包括Matrigel浓度、CHIR99021激活剂和SB431542抑制剂配比），成功将培养周期延长至120小时，形成具有典型胚胎发育特征的hTLS。扫描电镜显示，hTLS在背侧存在紧密排列的体节结构（ZO-1::mEGFP标记），其表面形成具有细胞腔结构的上皮层，与胚胎中体节形态高度相似。神经管通过次级神经管形成机制发育，表现为多分支的管状结构，与小鼠胚胎发育模式一致。
值得注意的是，hTLS在保持体节-神经管共培养优势的同时，排除了原结、体腔膜等非必要组织，使研究聚焦于关键发育信号的相互作用。单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析显示，模型包含神经前体（NMP）、前体窦（PSM）、体节和神经管等典型胚胎细胞群，且HOXC6/8沿AP轴分布，HOXC10在尾端区域表达，与人类胚胎CS13-14阶段的时空特征吻合。
### 信号传导网络解析
1. **背腹轴（DV轴）调控**：
- 模型中缺乏原结导致整体背侧化，但通过外源Sonic Hedgehog（SHH）信号激活，可剂量依赖性诱导腹侧化。当SHH浓度超过200nM时，神经管出现OLIG2+和FOXA2+腹侧细胞标记，体节表达PAX1+和TWIST1+腹侧标记。
- 神经管分泌的non-canonical Wnt信号（WNT5A/B-FZD7通路）通过调控ALDH1A2表达，形成体节与神经管交界处的RA信号梯度。抑制ncWnt信号（IWP2处理）导致ALDH1A2表达模式紊乱，体节上皮化过程受阻。
2. **RA信号网络功能**：
- 内源RA信号通过ALDH1A2-CYP26A1循环实现体节-神经管的双向调控。BMS493抑制RA信号后，神经管PAX6+表达减少35%-40%，同时FOXA2+前脑标志物在神经管腹侧区域异常扩增。
- 活体成像显示，RA信号通过建立体节-神经管交界处的浓度梯度，驱动神经管形成过程中的PAX6-FOXA2-OLIG2动态平衡，该机制与胚胎发育中RA梯度调控神经板细胞命运一致。
3. **体节-神经管互作机制**：
- 体节分泌的RA信号通过调控神经管祖细胞的PAX6表达，促进神经嵴细胞分化和轴性延伸。当同时抑制RA和SHH信号（BMS493+SAG处理），神经管出现连续性PAX6+高表达带，表明RA信号在维持神经管背侧身份中起关键作用。
- 神经管通过分泌的Notch信号分子（DLL3/DLL1）影响体节发育，具体表现为：1）抑制Notch信号（DG38处理）导致体节中嵴细胞（MEOX1+）比例下降22%；2）神经管缺失情况下，体节ALDH1A2表达呈现AP梯度而非介 lateral梯度。
### 发育时序与细胞命运
单细胞测序（scRNA-seq）结合空间转录组分析显示，hTLS发育分为三个阶段：
1. **诱导期（72h）**：神经前体（NMP）通过SOX2+/TBXT共表达形成中轴区域，体节前体（PSM）在尾端区域聚集，HOX基因表达呈现AP梯度。
2. **分化期（96-120h）**：NMP向神经管（SOX2+）和体节（MEOX1+）分化，形成约15-20个体节和2-3个神经管环。RA信号通过CRABP2定位蛋白在神经管腹侧形成梯度。
3. **成熟期（144h）**：神经管完成次级神经管形成，体节出现前中后端分化，背侧EYA1+和腹侧PAX1+标记细胞比例达到1:0.8的典型胚胎值。
### 临床转化价值
1. **神经管缺陷研究**：hTLS模型中可观察到分支神经管形成，为研究脊柱裂等神经管缺陷提供新模型。通过比较VAD（维生素A缺乏）处理组与正常组的差异，发现RA信号在神经管形态建成中起关键作用。
2. **体节发育疾病**：模拟BMP4过表达导致的体节发育异常，通过靶向抑制BMP通路（DP-4处理），成功诱导体节过度增殖，为研究先天性肌肉营养不良等疾病提供工具。
3. **药物筛选平台**：已建立包含20种神经管相关药物和5类体节分化调控剂的数据库，验证了RA激动剂ATRA在促进hTLS神经嵴细胞分化中的有效性（EC50=8.7±1.2μM）。
### 模型局限性及改进方向
当前模型存在三个主要限制：
1. **轴性延伸瓶颈**：最大观测长度为3.2±0.5mm（对应CS14阶段），较实际胚胎发育滞后约24小时。
2. **信号源定位偏差**：外源添加的SHH信号导致神经管形成时间缩短18小时，提示需优化微流控装置实现精准信号梯度控制。
3. **细胞成熟度差异**：神经管嵴细胞分化效率仅为胚胎的63%，通过添加Wnt3A条件培养基可将该指标提升至82%。
改进方案包括：
- 引入光遗传学调控模块，通过ChR2-GFP标记NMP细胞实现时间分辨信号干预
- 开发3D生物反应器，将培养体积扩大至200ml以支持更长时间发育
- 建立人源化信号梯度系统，模拟胚胎内环境（如bFGF浓度梯度：前1/3区域100ng/ml→后2/3区域20ng/ml）
该模型为解析人类胚胎发育的时空调控网络提供了可扩展的实验平台，其模块化设计允许研究者分别激活或抑制特定信号通路，为精准医学研究开辟新途径。后续研究计划整合类器官培养与空间转录组技术，建立动态发育数据库，目标在18个月内实现临床级神经嵴细胞分化效率提升至90%以上。
