在受精后七天左右，細(xì)胞團(tuán)中會發(fā)生引入注目的變化，它們最終將發(fā)育成一個人。這些細(xì)胞開始特化，它們具有一些特性，開始暗示自己最終會成為皮膚、大腦、肌肉的一部分，或人體中存在的大約200種細(xì)胞類型中的任何一個，并且它們開始形成明顯的胚層。

雖然科學(xué)家們已經(jīng)在動物中研究了這個過程，并試圖通過用化學(xué)信號充滿它們，來誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞成形，但是直到現(xiàn)在，這個過程都沒有在實(shí)驗(yàn)室中被成功復(fù)制。然而最近，美國洛克菲勒大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)和分子胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Ali Brivanlou、Robert和Harriet Heilbrunn教授做到了這一點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)，原來缺少的是幾何成分，而不是化學(xué)成分。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2014年6月29日的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Methods》。

Brivanlou指出：“當(dāng)這一團(tuán)胚胎干細(xì)胞的每個成員都第一次開始特化，并自組織成為胚層時，了解在這一刻會發(fā)生什么，將是利用再生醫(yī)學(xué)前景的一個關(guān)鍵。這大大提高了生長在培養(yǎng)皿中的替代器官和傷口可迅速愈合的可能性。”

在子宮中，人類胚胎干細(xì)胞接收來自周圍組織的化學(xué)信號，這些信號會通知它們開始形成胚層，這個過程稱為原腸胚形成。中部的細(xì)胞開始形成胚胎的外胚層、大腦和皮膚，而那些遷移到外部的細(xì)胞則形成中胚層和內(nèi)胚層，注定成為肌肉和血液以及許多主要的器官。

Brivanlou和他的同事，包括博士后Aryeh Warmflash和Benoit Sorre以及Eric Siggia，將最初在洛克菲勒大學(xué)獲得的人胚胎干細(xì)胞限制在培養(yǎng)皿上的微小循環(huán)模式，這些細(xì)胞已經(jīng)用化學(xué)方法處理，形成可阻止細(xì)胞集群擴(kuò)展到特定半徑范圍以外的“微圖案”。當(dāng)研究人員引入化學(xué)信號刺激細(xì)胞開始原腸胚形成時，他們發(fā)現(xiàn)，以這種方式幾何約束的細(xì)胞集群，繼續(xù)形成內(nèi)胚層、中胚層和外胚層，并像自然條件下那樣開始自我組織。而沒有這種幾何約束的細(xì)胞則不能。

通過監(jiān)測特定的分子途徑（人類細(xì)胞用這些分子途徑進(jìn)行相互間的交流，形成原腸胚形成期間的模式）——在以前這些事情是不可能的，因?yàn)槿狈σ粋€合適的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究人員還了解到，特定抑制信號如何產(chǎn)生以響應(yīng)最初的化學(xué)線索功能，來防止細(xì)胞集群內(nèi)的細(xì)胞都遵循相同的發(fā)展軌跡。

Warmflash稱：“從根本上說，我們開發(fā)的是一種新模型，旨在探討人類胚胎干細(xì)胞，如何以胚胎中那樣一個非?？蓮?fù)制的空間秩序，首先分化為不同的群體。現(xiàn)在我們可以實(shí)時跟隨每個細(xì)胞，以查明是什么使它們特化，我們就可以提出關(guān)于這個過程基本遺傳學(xué)的問題。”

這項(xiàng)研究，對于致力于制備特定的“純”細(xì)胞群的生物學(xué)家、多種類型細(xì)胞構(gòu)成的工程化組織以及醫(yī)學(xué)治療應(yīng)用，都具有直接的影響。Warmflash稱：“在發(fā)育期間，這些細(xì)胞具有形成模式的強(qiáng)大內(nèi)在傾向。改變細(xì)胞集群的幾何形狀，是一種重要的工具，可用于指導(dǎo)干細(xì)胞分化為特定類型的細(xì)胞或組織。”