本文由西班牙庞培法布拉大学和 ICREA系统生物工程的科研人员9月2日在线发表于Nature cell biology杂志。

基于干细胞的胚胎模型标准化标准（全文）

多能干细胞正被用于生成早期胚胎发生模型，这些模型在发现和转化研究方面显示出很大的前景。为了使这些模型具有实际价值，我们需要对它们的效率和对自然胚胎的忠实度进行严格的考虑。在此，我们提出了提高基于干细胞的胚胎模型研究标准的准则。

“模型”一词在科学中有不同的上下文含义。在物理学和工程学中，模型通常是对现实的简化，通常是数学表示，用于探索系统各部分之间的相互作用，以理解整体行为。在发育生物学中，“模型”指的是使用一种生物体来帮助阐明多种生物体发育的一般原则。由于许多过程在物种间的保守性，使用模式生物进行研究具有一定的合法性。在哺乳动物的研究中，实验室小鼠是传统的模式生物。然而，由于不同物种在形态发生过程、结构和时间上的差异，尚不清楚从小鼠获得的知识在多大程度上可以推广到其他哺乳动物，特别是人类。

对人类胚胎的研究已有100多年的历史，但主要是描述性的而非机制性的研究。近年来，由于体外受精产生的多余人类胚胎的捐赠数量增加，研究早期人类发育的兴趣得到了重新激发。这导致了一些关于人类胚胎发育到原肠胚形成（约第14天）的新见解。然而，在此阶段之后，对人类胚胎的体外实验仍然存在技术上的困难，而且在许多国家/地区是禁止的。因此，对人类胚胎进行机制性研究仍然是一个巨大的挑战。尽管一些国家，如中国和以色列，对人类胚胎研究的限制较少，但目前的人类胚胎研究的监管框架限制了对人类胚胎发生在健康和疾病状态下的理解的进展。

在过去的二十年中，多能干细胞（如胚胎干细胞和诱导多能干细胞）作为研究哺乳动物发育的工具出现了。由多能干细胞培养产生的贴壁细胞培养物和三维（3D）类胚体能够展示遗传和表观遗传程序的特征，例如对细胞因子的反应，这些程序模拟了自然胚胎发育过程中细胞谱系的指定、决定和分化。这些培养物通常被称为“发育模型”，在生产用于科学研究和治疗目的的相关细胞类型方面非常有用，例如药物发现和细胞治疗。然而，这些模型缺乏自然胚胎三维发育中细胞类型的完整表示、比例性和组织性。

在过去的十年中，开创性的研究揭示了多能干细胞聚集体自组织并形成模式化结构（称为类器官）的能力，这些结构在体外模拟了器官始基的结构。从那时起，使用多能干细胞和精确信号方案的众多协议已经显示出再现“发育模型”中观察到的细胞谱系轨迹，并进一步结合了自然哺乳动物器官发生特有的形态发生和组织模式化过程。多能干细胞的自组织能力最近进一步被利用，用于形成类似早期哺乳动物胚胎的结构，包括人类胚胎，这引发了一种简化的、自下而上的方法来模拟人类胚胎发生。这些哺乳动物胚胎模型不需要生成自然胚胎的精确复制品即可在研究中具有实用性。然而，它们应该足够接近其体内对应物，例如包括正确的组成细胞类型，并显示出自然胚胎的结构组织，同时便于实验操作，以提供有关发育的有用新知识。基于这种悖论，如果胚胎模型仅形成某些孤立的组织群，它们可能特别有用，从而揭示出可能在自然胚胎复杂整合环境中被掩盖的自主过程。胚胎模型也可能走不同于经典发育路径的路线，因为它们的细胞功能属性可能比胚胎中的限制少；这可能提供有价值的信息。因此，胚胎建模的主要目标不一定是生成胚胎或其组成结构的完整复制品，而是通过利用它们的可扩展性、可访问性、模块性和可实验性来阐明发育的特定方面。

对于人类发育的研究来说，一类特别有用的胚胎模型是由人类多能干细胞衍生的胚胎模型。然而，由于它们与自然胚胎的相似性带来的伦理敏感性，关于是否科学探究可以证明在研究中使用这些人类胚胎模型的正当性问题引发了讨论。我们认为，它们的相关性应该通过权衡它们与伦理负担较轻的模型（如发育模型或类器官）之间的潜在利益来判断。此外，它们的实用性取决于它们有效再现发育事件（如组织模式化和形态发生）的能力。在科学理解的结果和积极影响超越伦理和法律问题的情况下，建模一个完整的胚胎可能是正当的，前提是遵守监管指南。在这种情况下，胚胎模型的生成和使用应受到监督，以确保这些模型避免因伦理原因而被排除在自然胚胎研究之外的特征。然而，我们推测，如果某一时点胚胎模型变得与自然胚胎无法区分，它应受到与胚胎研究适用的相同规则和立法窗口的约束。

定义基于干细胞的胚胎模型的标准

胚胎模型在生成效率、细胞组成和结构组织方面可能会表现出不同的水平，而与真实胚胎的忠实度较低。这种情况是有问题的，因为它可能导致模型的错误表示，从而有误导科学和医学发现的风险。例如，过度依赖未充分表征的模型可能导致在胚胎学中的错误发现，以及在疾病建模或药物测试中的误导性使用。因此，我们认为有必要提出一些基本属性来用于表征胚胎模型。

一个模型的关键要求是其特征应反映被模拟的整个或部分胚胎结构的特征，并且这一点应在研究结果的报告中明确说明。

为了使实验和发现具有可重复性，报告应回答以下问题：初始多能干细胞群体的多能性状态是什么？胚胎模型结构的组成细胞在多大程度上反映了胚胎的细胞状态和空间组织？胚胎目标的成功建模频率是多少？如果最终的模型结构与目标偏离，重要的是要承认这些差异，并确定其偏离胚胎发育真实情况的具体点。此外，胚胎模型的发展路径应被记录，因为有一些重要的问题需要考虑，例如：细胞在多大程度上经历了与胚胎相同的细胞状态和形态变化的顺序和速度，细胞和组织随着时间的推移经历了哪些发育阶段，模型中的同步性程度，以及与胚胎的进展相比，模型是否跳过了某些事件、加速或减缓了发展进程。

模型的效率、可重复性和稳健性是将胚胎模型作为有用实验工具以阐明胚胎发生或用于转化研究的关键要求。因此，应通过稳健的统计测定量化相关特征来报告这些变量，且出版物必须附有这类信息的报告。

表征胚胎模型的方法

胚胎模型的忠实度可以通过将其细胞组成和转录状态与参考数据集进行基准比较来表征，通常是与天然胚胎或其身体部分及器官在特定发育阶段的细胞类型转录组进行对比。这种分析，在改进的可视化方法支持下，是理解胚胎模型与天然胚胎之间相似性和差异性的关键。当将模型的转录组数据投射到参考转录组数据集上时，应该包括那些不典型于目标组织的细胞、残留的多能干细胞或祖细胞，以确保基于投射的标签转移不会过度拟合。

基因表达谱是表征植入前发育阶段模型的有用代理指标，因为在此期间，谱系数量较少且组织相对简单。然而，随着发育的推进，基因表达描述符的价值逐渐降低。例如，在原肠胚形成期间，细胞类型的范围显著扩大，仅凭细胞类型目录不再是一个重要的标准，空间排列和相对比例变得更加关键。例如，原肠胚二维培养模型产生的细胞类型阵列与原肠胚中存在的细胞类型相似。因此，其拓扑组织和功能性应成为比较模型与胚胎的主要标准。未来的努力应致力于通过整合阶段特异性多组学信息的额外层次来提高参考数据集的颗粒度，例如细胞类型的空间组织、表观基因组、蛋白质组和代谢组的特征。

总的来说，需要对空间和时间中的特异化、分化、模式形成和形态生成事件进行准确且定量的描述，以评估模型的忠实度和可重复性，以及其模拟胚胎发生的能力。这对于比较不同模型、定义可以用它们解决的科学和医学问题的范围，以及选择最有用的模型来解决特定问题至关重要。我们认识到，这样详细的表征无法在单一研究中完成，而是需要整个研究社区的共同努力，以全面表征所关注的模型。

制定术语

模型的命名是一个重要的描述符，它可以影响对研究工作的感知，并影响资助机构的态度，尤其是在美国这样的国家，那里对类似胚胎的结构研究的资助，如由三胚层或其衍生物组成的结构，受到联邦的密切审查，目前由美国国立卫生研究院逐案决定。胚胎模型的“通用”名称应反映系统的组织以及其旨在模拟的对象的身份。我们建议，首先，模型应使用普遍理解的词汇。其次，它应反映所模拟的阶段和组织，理想情况下还应提示（如有必要）模型不完美的性质。这通常是使用“-oid”后缀的初衷，表示某物相似但不等同。

准确的术语将有助于提高对所开展工作的清晰度，无论是在该领域内，还是对于公众的正确理解。例如，目前情况中出现的问题之一是不同名称被赋予了再现与旁轴中胚层中的原体轴相关的组织模式化方面的模型：somitoids、segmentoids、axioloids 和 trunk-like structures。尽管每个模型都具有特定的特征，其中一些没有轴向组织的体节可能被视为类器官，但大多数尝试表示相同的体节形成过程及相关的胚胎结构。然而，对类似或相关对象的多种名称可能导致混淆，因此应确定统一的术语，以促进科学家之间的对话，更重要的是，促进媒体和社会对该领域的理解。我们建议由开发模型的研究人员达成共识来完成这一任务。

至于一个总括性的术语，已经提出了几个名称，例如 stembryos、embryoids 和 pseudoembryos，每个名称都有其价值和不足。所有这些名称都有提示胚胎模型是天然胚胎不完美复制品的优点，但也可能被误解为接近胚胎。我们承认命名问题需要通过科学界内的讨论达成共识，而这些讨论超出了本文评论的范围。然而，我们注意到，目前“基于干细胞的胚胎模型”这一术语正在获得认可，我们建议遵循这一术语。我们还建议在适当情况下，模型中模拟的胚胎发生的具体特征（如原肠胚形成、心脏发生、轴向延长和模式化）可以作为“后缀”添加，以清晰地定义特定模型的属性；例如，基于干细胞的原肠胚形成模型，基于干细胞的体节形成模型。

结论

我们的目标是强调明确和一致地描述胚胎模型的效率和准确性的重要性，以定义其实用性，并就术语达成共识，以改善沟通。为此，我们提出了一些关于实验标准和报告的建议。对胚胎模型进行适当的表征，将有助于资助机构在研究价值上的审议，以及监管机构的审查，从而使该领域能够在公众信任的基础上取得进展。

附件：胚胎模型的属性

胚胎模型的生成

1、起始材料：

a. 应报告干细胞系的多能性状态和基因组完整性。

b. 理想情况下，应使用并比较多种不同的细胞系。

c. 报告用于胚胎建模的初始细胞数量以及其他细胞类型（如适用）。

2、协议：

a. 应详细描述组装起始细胞群体以启动模型生成的方法。

b. 应详细描述逐步的体外培养条件，以达到建模终点。

3、应以统计准确的方式报告模型生成的效率和最终特征的可重复性定量测量。

胚胎模型的表征

前言： 定义建模的目标，例如，囊胚、双层胚胎盘、14天胚胎、原肠胚、体轴模式等。

1、识别模型中的细胞组成和空间组织。

2、评估结果细胞结构的形态特征。

3、在上述第1和第2点的发现背景下，确定特定目标建模的忠实度水平，使用以下描述的基准标准。

4、定量测量建模结果的实验内和实验间变异性。

5、明确模型的局限性。

基准标准

1、细胞组成和细胞状态，通过转录组数据以及（如适用）额外的方式（例如，蛋白组、代谢组）确定。

2、模型结构中细胞类型的空间组织，以及（如相关）子结构（例如，体节、神经管）。

3、完整结构的形态，以及（如相关）其组件（例如，单独的器官原基）。

4、形态发生事件的时空序列。

基于第1-4点的目标与发育阶段的匹配。

进一步的报告标准

1、应评估和报告胚胎模型与自然胚胎目标结构之间的相似性和差异性。对于分类器驱动的注释，应报告置信度分数。

2、应明确模型的局限性，例如非目标细胞类型和形态变异。

3、对于需要科学和监管监督的胚胎模型，提供生成和使用胚胎模型进行研究的伦理和监管治理声明。