脊柱是所有脊椎动物骨骼的中心支撑结构，不仅为肌肉提供附着场所，还保护脊髓和神经根。脊柱发育缺陷会导致罕见遗传性疾病。欧洲分子生物实验室(EMBL)巴塞罗那分部研究人员创建了一个3D体外模型，该模型模拟了人类胚胎发育过程中产生脊柱的前体结构是如何形成的。研究成果近日发表在《自然·通讯》杂志上。

脊柱由33块椎骨组成，它们形成一种成对的、被称为体节的前体结构。体节不仅会产生椎骨，还会产生肋骨和骨骼肌。为了确保这些结构正确形成，体节发育受到严格调控，每对体节都在发育的特定顺序时间点出现。这个过程由分段时钟控制，分段时钟是一组产生振荡波的基因，每个波都会产生一对新的体节。

“我们第一次能够在实验室中创建与分段时钟相关的周期性人类成熟体细胞对。”该研究的第一作者玛丽娜· 真木松宫说。使用这种方法，研究人员开发了人类体节形成的3D体外模型。

在诱导细胞分化的信号分子混合物存在的情况下，研究团队培养了人类诱导多能干细胞 (hiPSC)。3天后，细胞开始伸长并产生前(顶部)和后(底部)轴。研究人员再将一种神奇粉末基质胶添加到培养混合物中。这个过程最终导致了体外体节的形成。

研究团队还研究了人类在胚胎发育方面与其他物种有何不同以及为何不同。他们用来理解种间差异的模型系统之一就是分段时钟。此外。他们还发现了体节大小和分段时钟之间的联系。“生成的体节大小恒定，与用于初始体节的细胞数量无关。即使初始细胞数增加，体节大小也没有增加。”真木松宫解释道，这表明体节具有首选的物种特异性大小，这可能由局部细胞—细胞相互作用、分段时钟或其他机制决定。

为了进一步研究这一点，研究团队正计划生长出不同物种的体节并进行比较。研究人员已在研究几种哺乳动物，包括兔子、牛和犀牛，并在实验室中建立了一个“干细胞动物园”。

研究人员表示，下一步将专注于从不同物种中创建体节，测量它们的细胞增殖和细胞迁移速度，以确定物种之间的体节生成有何不同以及如何不同。(科技日报记者 张梦然)