近6年持续攻坚，全球首创单细胞数字胚胎

东大科研团队破译心脏发育密码

东南大学团队在实验室科研攻关。 受访者供图

□ 南京日报/紫金山新闻记者 何洁 通讯员 吴涵玉

在生命起源的奥秘中，胚胎发育始终是深受关注的谜题之一。中胚层和内胚层器官原基的精确定位及形成机制一直是困扰学界百年的“世纪难题”。如今，这一僵局被中国科学家打破。近日，东南大学科研团队以《小鼠早期器官发生期完整胚胎数字重建》为题，在国际顶级期刊《Cell》（细胞）在线发表研究成果，他们全球首创单细胞数字胚胎，并在其中发现中内胚层器官原基决定区，揭示心脏、前肠等器官原基发育的独特信号微环境。这项突破不仅填补了哺乳动物心脏早期发育理论空白，更为先天性心脏病等出生缺陷防治与再生医学研究提供关键理论基础。

“就像在混沌初开的细胞团中找到命运罗盘。”项目主要负责人、东大生命科学与技术学院教授林承棋在采访中比喻道，早期胚胎看似简单的细胞团里，藏着决定心脏、肺、肝脏等器官形成的“关键细胞”。而器官原基决定区（PDZ）就像一个精密的“信号处理器”，在胚内高浓度信号抑制分子与胚外激活性配体分子的交界处，形成低信号活性“洼地”，通过整合各类通路，将微环境信号转化为基因选择性表达指令，驱动器官原基形成。

这项突破的背后，是一支跨学科团队近6年的持续攻坚。“我们建构了6个单细胞数字胚胎，每个胚胎细分为60个切片，累计解析数十万个细胞的基因表达信息。这项工作的难度远超想象，初期可用的生物信息学工具十分有限，为了追求更高精度，我们只能边做边开发。”论文第一作者、生物科学与医学工程学院教授谢芃介绍，为捕捉器官形成的动态过程，团队在器官原基形成关键时期，对小鼠胚胎进行单细胞空间组学分析，如同给每个细胞装上“GPS定位”，记录其基因表达特征与空间位置。

“这项研究的意义远不止于基础科学突破。”论文共同通讯作者、生命科学与技术学院教授罗卓娟表示，我国出生缺陷发病率高达5.6%，其中先天性心脏病是最为常见的出生缺陷类型。而PDZ区域的发现，为追溯心脏发育异常的起源提供了“时空坐标”——在胚胎器官发育的关键窗口期，遗传因素或环境因素对PDZ微环境的干扰，可能导致器官原基形成异常。“就像找到了器官发育的‘隐秘钥匙’，通过数字胚胎技术，科学家能精准定位决定中内胚层器官命运的细胞群，进而研究基因突变或环境因素如何影响这一过程。”

更深远的影响在于对胚胎发育生物学的整体推动。“史无前例。”业内专家评价，这项研究填补了领域内的关键空白。就像1924年外胚层组织中心的发现推动神经发育研究一样，PDZ的发现将开启中内胚层器官发育研究的新纪元——这项工作首次在单细胞精度揭示器官原基形成的时空动态，为理解器官再生、肿瘤发生等重大科学问题提供了全新方法论。

“我们希望通过平台共享，让更多同行利用这些数据和工具，共同探索生命的奥秘。”林承棋表示，团队下一步将聚焦PDZ区域信号网络的精细调控机制，探索器官发育异常的深层原因，为出生缺陷及相关人类疾病防治提供更精准的科学依据。

转自：南京日报