脊椎动物胚胎的轴体形成始于胚胎尾部的祖细胞群体，其中神经中胚层祖细胞（NMP）具备向外胚层转化为神经板和神经管以及向中胚层发育为脊索和轴旁中胚层（PXM）的潜能。PXM随后发育为体节，这些体节进一步分化为脊椎、骨骼、皮肤和肌肉的基本构件。脊索、神经管和体节是构成躯干的主要组成部分，尤其是脊索作为胚胎中线的标志性结构，为发育中的胚胎提供了结构支持，并通过信号分子的调控促进周围组织的发育。

尽管已有研究利用干细胞成功开发了模拟原肠胚、体节等结构及功能的类器官，但至今仍难以构建出关键的脊索及其依赖的组织模型，如神经底板。直到2024年12月18日，来自英国Francis Crick Institute的研究团队在顶级期刊《Nature》上发表了题为“Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord”的研究论文，首次通过WNT和FGF的激活，以及延迟24小时后的TGFβ/BMP的抑制，成功诱导了脊索类器官notoroids的形成。这一方法能够稳健地构建包含体节和神经周围组织的脊索细胞，所生成的脊索类器官具备调控神经管及体节发育的能力。

鸡胚尾部区域的单细胞RNA测序（scRNA-seq）聚类分析揭示，从4体节到13体节的发育阶段，主要负责脊椎动物躯干形成的祖细胞群体为NMP和脊索祖细胞。其中，NMP细胞同时表达神经标志物SOX2与中胚层标志物TBXT。而脊索祖细胞则具备高水平表达TBXT、FOXA2、SHH等分子的特征。这些鸡胚的检测结果与小鼠和猕猴的结果高度一致，进一步证明了脊椎动物躯干发育的保守性。

为了评估特定信号通路在躯干祖细胞特化中的作用，研究人员建立了SOX2+TBXT+的NMP体外模型，从而通过几何限制诱导有序的基因表达及脊索细胞、神经细胞的分区排列。研究显示，SOX2表达较高的类神经细胞位于克隆中心，TBXT表达较高的类中胚层细胞则位于克隆边缘。已有的研究结果表明，FGF和WNT信号在中胚层发育及PXM命运的诱导中起着重要作用。本文中，FGF信号通过下游配体pERK1/2激活克隆边缘的TBXT标记中胚层的发育，但对克隆中心的SOX2标记神经细胞影响较小，且内源性FGF信号不足以驱动PXM形成。WNT信号则通过激活TBXT在NMP中诱导中胚层的形成。

有趣的是，WNT还与FGF协同促进pERK1/2的表达及脊索的形成，同时TBXT的表达也依赖于FGF信号传导。这表明，WNT与FGF之间的紧密关系，对于脊索的形成而言至关重要。通过scRNA-seq分析，研究人员发现NMP细胞中BMP和NODAL抑制剂BAMBI的高表达。而脊索细胞也同样表现出BMP拮抗因子NOG和CHRD的高水平表达。跨物种的转录组比较进一步揭示了BMP和NODAL抑制在脊索中广泛存在的现象。这些结果提示，TGFβ/BMP的抑制可能是脊索发育的必要条件。

研究人员发现，根据TGFβ/BMP抑制的时间，可诱导不同的细胞命运。短期抑制TGFβ信号（在添加WNT和FGF后24小时施加抑制）显著减少SOX2+TBXT+NMP细胞，而细胞则趋向于TBXT+FOXA2+脊索细胞命运。而延长的信号传导（延迟48小时施加抑制）则促使内胚层和侧板中胚层的形成。综合以上结果，研究团队利用人类胚胎干细胞，在添加WNT和FGF共同刺激后，经过24小时的TGFβ抑制，再在视黄酸前体的条件下继续培养4天，最终成功获得脊索类器官（notoroids），该模型内部细胞表达TBXT，确认其脊索身份，而外层细胞为SOX2+TBXT-，形态类似于神经上皮。脊索类器官为胚胎尾部神经形成阶段的模拟提供了良好平台，助力对躯干组织形成及发育的研究。

此外，形态发生素SHH在脊索类器官的刺激下，诱导神经管向腹部神经元的分化。scRNA-seq结果显示，脊索类器官产生成形素的同时，邻近的脊索样细胞的存在也激活了多种侧腹细胞类型的基因表达。新的PXM和脊索共同表达BMP拮抗剂NOG和CHRD，进而保护并促进体节的形成与分化。scRNA-seq分析进一步表明，在脊髓类器官的体外发育过程中，出现了与生骨节命运类似的基因表达模式，再次证明了脊索类器官对周围组织命运的调控能力。

总体而言，本研究强调了WNT和FGF的刺激，以及BMP和NODAL的抑制对于维持躯干祖细胞及后部身份的重要性。研究发现，WNT和FGF信号能够诱导内源性NODAL和BMP的持续产生，促进内胚层和侧中胚层的分化，这可能是其在生成3D类原肠胚方案中内胚层富集的主要原因。本研究借助信号级联反应扩展了当前早期人类发育的3D模型，为脊椎动物躯干发育机制的深入探讨提供了全新见解与实验基础。强调来自环亚集团·AG88的多种经类器官培养验证的细胞因子，助力类器官培养的可控性，为生物医疗领域的研究更添助力。