9月8日，大型國際合作項目人類發育細胞圖譜計劃（HDCA計劃），在《自然》發表題為《人類發育細胞圖譜路線圖》的評論文章。文章指出，作為人類細胞圖譜（HCA）計劃的重要戰略，HDCA計劃旨在構建一個完整的人類發育（從受精卵到出生時完全成形的胎兒）過程中細胞基因時空表達的精細參考圖譜，建立全息人類胚胎發育資訊網路。文章提供了一個構建人類發育細胞圖譜的路線圖。
一年前，全球首張人類細胞圖譜在浙江大學繪製成功。文章作者之一的浙江大學醫學院教授郭國驥表示，HCA計劃旨在全面解碼人體所有細胞（約37萬億個）的類型、數目、位置、相互關聯與分子組成等，揭示圖譜變化與健康和疾病的關係。與HCA計劃一樣，HDCA計劃將獲得基因組、轉錄組、蛋白組等多種數據類型，實現人類胚胎發育時空表達的細胞可視化，為全世界科學家提供免費共用的基礎科學資源數據庫。
跨技術、跨學科
目前現代發育生物學的研究大多集中在模式生物上，由於實際挑戰，人類的胚胎發育仍然是一個知之甚少的“黑匣子”。人類發育細胞圖譜的構建對於理解正常的器官發生，突變、環境和傳染性疾病對人類發育的影響，先天性疾病，以及衰老、癌症和再生醫學的基礎研究至關重要。例如，許多先天性疾病和兒童癌症起源於易感的發育窗口，人類胚胎的發育軌跡圖也可為人類幹細胞模型、類器官和細胞療法提供重要的參考和指導。
人類發育的早期研究起始於胚胎的形態測量和定性評估，並依此構建了卡內基分期。成像、細胞計數和基因組學技術的進步為人們了解器官發生過程中複雜的時空變化提供線索。“近些年，單細胞分析技術以前所未有的解析度提升了我們研究人類發育的能力。”郭國驥説。
利用這些最新技術以單細胞的解析度構建人類發育的綜合參考圖譜是一項雄心勃勃的計劃，其規模與人類基因組計劃相似。郭國驥告訴《中國科學報》，HDCA計劃同樣需要來自全球各類研究機構的參與，以及多學科專家共同協作。
此外，HDCA計劃將採用人類基因組計劃發起的大型科學項目的資助、實施、協調和共用方式，以及基於HCA計劃的倫理委員會和“生物網路”。郭國驥表示，這種組織框架能使發育生物學、胚胎學、遺傳學和模型系統、計算生物學、臨床遺傳學等領域的研究人員形成跨技術和跨學科的大規模協調合作。
構建三維發育細胞圖
人類胚胎發育的整個過程是由三維空間和時間共同調控的。目前，科學家無法在體內以高解析度輕鬆評估人類胚胎發生，時序性研究又僅限于體外的植入前胚胎，這些問題將是成功構建人類發育細胞圖譜面臨的挑戰。
郭國驥表示，HDCA計劃在實驗技術、計算分析和可視化演算法等領域面臨巨大的科學挑戰，特別是妊娠期前8周胚胎暫態形態變化的捕捉。該計劃的一項主要工作就是開發相關演算法框架，以捕捉胚胎細胞和形態變化的整個發育過程。
目前，細胞類型的定義主要參考模式生物和成體細胞圖譜，但這些分析對於發育和分化過渡期間存在的瞬態細胞類型不一定適用。基於RNA、染色質可及性、甲基化或特定蛋白質的單細胞分子圖譜對細胞類型和狀態的定義更細緻入微。
“為了克服這些挑戰，我們需要分析許多時間點，並且需要隨著時間推移將定義的細胞狀態映射回三維空間並進行功能表徵。”郭國驥表示，對於構建完整的人類發育細胞圖譜，高水準的多組學技術可以反映細胞分子概況、形態功能和其他特徵的多方面狀態。例如，轉錄組反映了細胞的現在和潛在的未來；蛋白質表達捕捉細胞的過去和現在；染色質圖譜揭示了其不變的類型和未來分化的潛力，等等。
“我們期待發育生物學朝著一致的細胞本體發展，整合空間轉錄組、單細胞測序、原位測序等多組學單細胞分析方法，繪製全面的三維發育細胞圖譜，還原真實的人類體內胚胎發育分子進程。”郭國驥説。
從理論到臨床
基因型和環境的相互作用是導致人類早期發育障礙的基礎。一系列兒童和成人疾病起源於胚胎時期，包括結構性出生缺陷、神經發育障礙（包括精神分裂症）、兒童癌症、先天性免疫缺陷、不育和性別發育差異，以及許多兒科疾病。
“眾多罕見遺傳病在出生時都會出現一系列發育不良後遺症，有時即使歸類為相同的疾病，其醫學表現也有很大差異。”郭國驥説。但由於我們對人類正常發育的了解有限，因此無法確定發育障礙的病因，以及母體基因型、父親年齡和其他外部風險因素（如飲食、酒精、毒素、內分泌干擾物和病原體）産生的影響。
研究人員表示，構建人類發育細胞圖譜可以揭示兒童癌症的發病機制。兒童和成人腦腫瘤通常會在發育早期階段出現程式異常，將腫瘤細胞的表達譜與人類發育細胞圖譜進行比較可以確定癌細胞的起源及其致癌途徑。相關數據還可應用於檢測病毒進入受體和蛋白酶在各個器官中的表達，幫助了解成人和胚胎時期對新冠病毒的不同易感性。
用於臨床治療和再生醫學的細胞和組織工程也是人類發育細胞圖譜潛力巨大的應用領域。源自人類多能幹細胞的細胞療法正在進入帕金森病治療的早期臨床試驗，使用的方案是在發育基礎上改進的中腦多巴胺能神經元的分化研究，此外利用胚胎造血幹細胞的造血潛能可以為血液病患者帶來實質性益處。
