众所周知，怀孕期间的母亲吸烟是流产，低出生体重和早产的危险因素。斯坦福大学医学院的研究人员现在开发了一种人类胚胎干细胞(hESC)模型，以证明在电子烟液体和戒烟辅助工具中发现的尼古丁如何对发育中的胚胎中的不同细胞类型产生不利影响。

作者由Stanford心血管研究所所长Joseph C. Wu博士和Simon H. Stertzer在斯坦福大学医学院医学和放射学系授课，他们的模型可以提供新的见解。尼古丁对发育中胎儿体内个体器官和细胞的影响，也可用于优化药物和环境毒性筛查。

“在烟草，电子香烟和尼古丁口香糖等产品中发现的尼古丁可能会对怀孕期间发育中胚胎的不同器官产生广泛的有害影响，”吴说。“这些结果尤为重要，因为它们为教育公众，特别是年轻女性，在怀孕或考虑养家糊口时远离吸烟提供了科学依据。”

吴的团队与斯坦福大学心血管研究所，干细胞生物学和再生医学研究所，心脏病学研究所以及亚利桑那大学医学院的同事合作，在一篇名为“ 干细胞报告 ”的论文中报道了他们的研究结果。人胚胎干细胞分化的单细胞测序描述了尼古丁对胚胎发育的不利影响。“

作者解释说，怀孕期间的母亲吸烟是已知的出生缺陷风险，但也与不良神经行为，心血管，呼吸，内分泌和代谢结果密切相关，这可能持续到成年期。尼古丁是吸烟的主要化学成分，是导致这种高风险的主要原因。“不幸的是，”他们指出，“含有尼古丁的新烟草产品(如电子烟)的推出和推广正在扭转最近在减少烟草使用方面取得的进展。”

尼古丁在动物 - 主要是啮齿动物 - 中的不利影响已得到很好的研究，并证明在怀孕期间接触药物对胎儿发育方面有不利影响，包括细胞损伤，炎症增加，氧化应激和细胞复制受损。然而，在人类中进行这样详细的调查是不可行的。“然而，尼古丁对人类胚胎发育和相关机制的影响仍然知之甚少，”研究人员评论道。

为了解决一些局限性，Wu的团队及其合作者使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析了21天尼古丁暴露对人类胚胎干细胞衍生的胚状体产生的12,500个细胞的转录组的影响( EBS)。这些是不同类型的多能细胞的实验室培养的3D聚集体，其将分化成最终形成器官的多种细胞类型，包括心脏，脑，肝，血管和肌肉。虽然使用体外分化的胚胎体来模拟早期胚胎发育并不是新的，但是先前关于基因表达的工作已经利用了常规的大量RNA测序，其对于研究个体细胞类型具有有限的实用性。

基于微滴的scRNA-seq技术的出现意味着现在可以在异质细胞群中分析单细胞水平的转录组。“在这里，我们使用EB的scRNA-seq来表征尼古丁对hESC分化的影响，”作者评论道。“在单细胞水平上对照和暴露于尼古丁的EB的综合分析使我们能够定量评估细胞类型特异性对尼古丁的反应。”

分析的EB细胞类型包括六个主要祖细胞：神经，肝，基质，内皮，上皮和肌肉。结果广泛显示，暴露于尼古丁降低了细胞活力，增加了活性氧(ROS)，并减少了胚状体的大小，导致异常形成和分化。尼古丁暴露还改变了从hESC分化的各种祖细胞中的细胞周期，并且导致细胞间通讯失调，这是一种尚未充分研究的副作用。

有趣的是，细胞类型组成变化的量化表明，尼古丁暴露与上皮细胞减少5%和肝细胞增加4%有关。在每种细胞类型中受尼古丁影响的基因的相对比例也存在相当大的差异，肌肉细胞表现出最大数量的差异表达基因。

scRNA-seq结果显示细胞类型特异性变化的基因表达涉及金属毒性和线粒体功能，脑畸形和智力残疾，肌肉发育和疾病，肺病和Ca 2+相关的心律失常，影响收缩性。心肌细胞。

例如，在神经祖细胞中，尼古丁暴露导致某些基因的上调或下调，其已知的异常表达导致β-淀粉样蛋白形成和突触传递，脑畸形和智力残疾的增加。在肌肉细胞中，响应尼古丁暴露的最上调基因是肌球蛋白伴侣蛋白基因，其参与肌肉发育和疾病。

在基质细胞中，已知调节营养水平和氨基酸乙酰化的两个基因在尼古丁暴露后下调，而肝细胞表现出与脂质代谢相关的基因的下调。在上皮细胞中值得注意的是与慢性阻塞性肺病相关的基因的表达降低，而在内皮细胞中基因表达的细胞类型特异性改变与抑制糖酵解和内皮细胞功能障碍以及血管生成期间的内皮管腔形成相关。 。

来自各种祖细胞群的DEG模式表明对源自所有三个胚层的细胞具有广泛的影响。“这很重要，因为我们知道吸烟和尼古丁已被证明会增加内分泌，生殖，呼吸，心血管和神经系统的病理风险，这些系统依赖于多种细胞类型之间错综复杂的动态相互作用来稳态和功能，”Wu补充说。 。

“我们的研究为评估尼古丁对人类胚胎发育的潜在影响提供了一个有效的平台，”该团队得出结论。“我们的数据为产生人类胚胎干细胞的特定细胞群产前尼古丁毒性提供了潜在的分子机制。”

“我们研究的一个主要意义是，我们现在已经验证了一种评估药物和环境毒性对人类胚胎发育影响的新方法，”吴说。他承认胚胎体模型的一个限制是它无法概括孕妇的全身生理学。“例如，运动，压力，食物或荷尔蒙变化的影响在这个模型中没有被捕获，”他说。

研究人员的目的是继续研究尼古丁诱导的胎儿出生缺陷的机制。“我们希望这将导致发现新的生物标志物，可以帮助医生更好地预防，诊断和治疗这些疾病，”吴说。“此外，我们计划利用我们的hESC衍生的胚胎体模型和单细胞测序技术来研究其他有害条件的广泛影响，如空气污染对人类胚胎发育的影响。”