小鼠早期胚胎發(fā)育可以分為植入子宮前和植入子宮后兩個(gè)發(fā)育過(guò)程。在植入子宮前，小鼠胚胎經(jīng)歷了從單細(xì)胞受精卵到多細(xì)胞囊胚的發(fā)育過(guò)程，胚胎在透明袋中沿著輸卵管向子宮方向移動(dòng)，在植入子宮前4.5天的緩慢發(fā)育過(guò)程中，胚胎發(fā)生了兩次細(xì)胞命運(yùn)決定事件，分化形成了三個(gè)細(xì)胞譜系，分別是表胚層 (EPI)、滋養(yǎng)外胚層(TE) 和原始內(nèi)胚層(PrE)（圖1）【1】。

圖1胚胎植入子宮前的發(fā)育過(guò)程

與此同時(shí)，子宮也做好了接受胚胎著床的準(zhǔn)備，一旦胚胎植入子宮后，胚胎細(xì)胞會(huì)快速增殖分裂，細(xì)胞數(shù)目快速增長(zhǎng)，胚胎形態(tài)發(fā)生急劇改變，隨之發(fā)生原腸化，形成卵柱形的原腸胚。最終表胚層EPI會(huì)發(fā)育形成整個(gè)胎兒本身，滋養(yǎng)外胚層TE發(fā)育形成了胚外組織胎盤，而胚外內(nèi)胚層PrE則主要發(fā)育為了包裹胎兒和胎盤的卵黃囊結(jié)構(gòu)（圖2）【2】。

圖2胚胎植入子宮后的發(fā)育過(guò)程

將小鼠E3.5天囊胚在體外培養(yǎng)，可以得到三種具有無(wú)限增殖和多向分化能力的干細(xì)胞系，分別是來(lái)自于表胚層(EPI)的胚胎干細(xì)胞系(ESC)，來(lái)自于滋養(yǎng)外胚層(TE)的滋養(yǎng)層干細(xì)胞(TSC)和來(lái)自于原始內(nèi)胚層(PrE)的胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞(XENC)（圖3）【3】。多細(xì)胞生物的發(fā)育不僅包含復(fù)雜的細(xì)胞分化過(guò)程，而且分化細(xì)胞還必須有秩序地組織在一起，才能實(shí)現(xiàn)生物復(fù)雜形態(tài)的構(gòu)建和發(fā)揮他們的正常功能。細(xì)胞和組織水平的自組織作用在發(fā)育的形態(tài)構(gòu)建中占有重要的地位，是發(fā)育的重要機(jī)制之一【4】。

圖3體外培養(yǎng)的三種干細(xì)胞

雖然我們對(duì)胚胎發(fā)育了解頗多，但是胚胎植入子宮過(guò)程中胚胎發(fā)育變化較快和子宮環(huán)境變化復(fù)雜，因此我們對(duì)胚胎著床過(guò)程仍有很多未知。1月30日，來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的韓建永教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communication雜志上發(fā)表了題為Implantation initiation of self-assembled embryo-like structure generated using three types of mouse blastocyst-derived stem cells 的研究論文，利用囊胚來(lái)源的三種多能性干細(xì)胞聚合形成了胚胎樣結(jié)構(gòu)組織并模擬了正常胚胎植入子宮后的發(fā)育和發(fā)生過(guò)程。這對(duì)于研究細(xì)胞間相互作用，胚胎發(fā)生和發(fā)育，胚胎著床和組織再生等研究都提供了一個(gè)全新和高效地研究模型系統(tǒng)。

研究人員首先研制了一種簡(jiǎn)易、快速、高效聚合細(xì)胞的水平懸浮震蕩培養(yǎng)系統(tǒng)（圖4），利用這一培養(yǎng)系統(tǒng)作者可以在3.5cm細(xì)胞培養(yǎng)皿中批量快速生產(chǎn)大量人造胚胎。作者首先在體外利用囊胚來(lái)源的三種多能性干細(xì)胞聚合形成了胚胎樣結(jié)構(gòu)組織并模擬了正常胚胎植入子宮后的發(fā)育和發(fā)生過(guò)程。在體內(nèi)，聚合胚胎移植子宮后可以起始胚胎著床。

圖4非粘附水平懸浮震蕩培養(yǎng)系統(tǒng)

作者首先利用了ES和XEN兩種細(xì)胞聚合形成了EXE-胚胎樣結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示EXE-胚胎與正常胚胎來(lái)源的EPI-explant在結(jié)構(gòu)形態(tài)、體積大小都極為相似，并且EXE-胚胎也能夠形成基膜結(jié)構(gòu)，發(fā)生極化成腔(圖5)。

圖5 EXE-胚胎與胚胎來(lái)源EPI-explant形態(tài)結(jié)構(gòu)

而利用三種干細(xì)胞(ES、TS和XEN細(xì)胞)聚合形成了ETX-胚胎樣結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示ETX-胚胎與正常胚胎不僅在形態(tài)結(jié)構(gòu)，體積大小都極為相似(圖6)，而且還具有與正常胚胎原腸化過(guò)程相似的發(fā)育能力，包括基膜結(jié)構(gòu)和前羊膜腔的形成，DVE/AVE樣結(jié)構(gòu)形成，中胚層細(xì)胞和生殖細(xì)胞前體細(xì)胞特化等發(fā)育過(guò)程(圖7)。

圖6 ETX-胚胎與正常胚胎的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖7.正常胚胎與ETX-胚胎發(fā)育過(guò)程示意圖

單細(xì)胞qPCR分析結(jié)果顯示，體外培養(yǎng)24h的ETX-胚胎中TS細(xì)胞已經(jīng)表達(dá)了胚胎著床的信號(hào)，所以作者將起始聚合的胚胎進(jìn)行了子宮移植后發(fā)現(xiàn)，聚合胚胎可以有效地起始胚胎著床，使子宮發(fā)生蛻膜化反應(yīng)，血管通透性增加，建立正確的胚胎胚軸方向，滋養(yǎng)層細(xì)胞浸潤(rùn)子宮上皮細(xì)胞并與子宮建立聯(lián)系。隨后通過(guò)石蠟切片在子宮蛻膜中也發(fā)現(xiàn)了與E5.5天正常胚胎結(jié)構(gòu)相似的ETX-胚胎。作者最終證明了聚合胚胎能夠有效地起始胚胎著床反應(yīng)，進(jìn)而為胚胎著床研究提供了良好的模型。

該研究成果揭示了利用細(xì)胞聚合生產(chǎn)人造胚胎的全新方法，可以應(yīng)用于其他組織和器官的重構(gòu)，并且為研究細(xì)胞間相互識(shí)別，胚胎發(fā)生和發(fā)育，器官和組織再生、胚胎著床提供了全新研究模型，有助于我們快速應(yīng)用于篩選藥物和致畸實(shí)驗(yàn)，胚胎著床和控制機(jī)制、新發(fā)育基因的發(fā)現(xiàn)等。

據(jù)悉，韓建永教授為通訊作者，張少鵬博士和陳天直博士為該論文的共同第一作者。