2024年4月，中國科學家在國際期刊Cell（IF=64.5）發表題為3D reconstruction of a gastrulating human embryo的文章。中國科學院動物研究所于樂謙研究員、郭靖濤研究員、王曉琰博士、中國農業大學魏育蕾教授為本文通訊作者。中國科學院動物研究所王紅梅研究員為資深作者。通過構建CS8完整胚胎中不同細胞類型與基因表達的三維空間分布點云圖，突破性地通過數字3D重構了首個完整人類原腸胚模型，填補了原腸胚階段人類胚胎各細胞譜系發育知識的空白。（安諾優達有幸為該研究提供了Stereo-seq實驗以及技術支持。）

原腸胚形成，是囊胚內的胚細胞遷移、轉變形成復雜精妙的多維結構的過程，它奠定了不同細胞譜系與空間模式的基石。然而，當前研究多依賴模式動物、靈長類囊胚體外培養或多能干細胞的胚胎模型，這些方法無法直接理解人類原腸胚的奧秘。同時，已有數據集缺乏空間定位信息，難以精確界定細胞亞型，實現完整定位。因此，系統性地揭示人類原腸胚形成過程中的基本細胞和分子特征，是一項艱巨而獨特的挑戰，亟待科學家深入探索與攻克。

01 豐富：對CS8人類胚胎進行62張的連續切片，進行了Stereo-seq高分辨率的空間轉錄組研究。

02 立體：三維重構了人類CS8胚胎的3D模型，并鑒定關鍵位置的一系列細胞亞型。

03 系統：整體性地描繪了胚胎形態、細胞類群、空間位置和轉錄組特征，闡述了原腸胚形成過程中細胞發育過程、譜系軌跡變化和一系列調控活動。

04 創新：開創性地發現了CS8時期的人類胚胎尾部很可能存在一個和中部脊索類似的組織中心，為窺探人類極早期胚胎發育提供了重要窗口。

時空組學技術Stereo-seq & DNBSEQ-T7 PE100

01 CS8時期原腸胚的空間轉錄組學分析和三維重建

研究對形態完整的CS8人類胚胎沿著前后(A-P)軸進行冷凍橫切，以1片為間隔，共獲取62張橫向切片進行Stereo-seq時空轉錄組實驗，形成整個胚胎的空間轉錄組圖譜。

首先，在數據處理中，研究者采用bin50（大約1個細胞）的分辨率進行下游分析，整合構建二維空間轉錄組圖譜。

其次，通過整合差異表達基因（DEGs）、已知標記物和空間信息，研究者鑒定出13個主要簇，包括外胚層、原腸泌細胞、脊索、中胚層等。

再次，對整個樣本的空間轉錄組進行3D重建，利用鄰片轉錄本相似性和相鄰切片中點之間的物理距離，將多張切片進行配準對齊，并為每個空間捕獲點分配x-y-z三維坐標。

最后，生成不同細胞類型與基因表達的三維空間分布點云圖，通過細化、增強和局部渲染著色，形成了胚胎中不同細胞類型空間域的3D模型（左右兩種模型，兼容胚外組織）。

02 細胞類型的三維空間分布和相關的分子調控網絡

在3D模型中，不僅可以提取單張切片二維的轉錄本和細胞分布信息，還可以沿著A-P軸進行三維可視化，并驗證已知標記物的三維表達模式。將基因調控富集結果映射至三維空間，關鍵轉錄因子調控原腸胚形成過程中具備著明顯的空間特異模式，且這種空間特征與已知的解剖學特征高度吻合，這也揭示了原腸胚發育的復雜性。

研究者同時建立并發布了可互動共享網站：cs8.3dembryo.com，便于后續的研究者理解和使用。

03 早期人類胚胎發育關鍵信號通路的空間表達模式

通過細胞通訊結合已有研究，確定不同細胞類型中動態表達的關鍵信號通路。值得注意的是，A-P軸的SHH信號通路、受體和輔助因子均在胚胎尾部出現了第二個表達峰，即除已有研究說明的中部高活性位點外，尾部極有可能也存在一個高活性位點。胚胎尾部可能存在新的信號源和“組織者（organizer）中心”，這為窺探人類極早期胚胎發育提供了重要窗口。

在本研究中，通過構建完整的CS8人類胚胎3D模型，將單個細胞的空間信息與其基因表達譜相結合，系統描繪了胚胎形態、細胞類群、空間位置和轉錄組特征，準確注釋了不同的細胞亞型，深度解析了重要胚外組織羊膜細胞發育過程和卵黃囊造血譜系特化，重點發現了參與早期發育的不同信號通路采用不同的策略沿胚胎A-P軸建立差異激活的特點。這項研究不僅可以確定人類原腸胚形成過程的關鍵細胞和分子特征，還可以指導今后干細胞衍生的人類胚胎模型的生成。

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