打开人类胚胎早期发育的“黑匣子”

临床上，约30%~40%的病例中，胚胎不能正常植入或发育，部分原因是胚胎，但具体机制仍不清楚。阐明胚胎着床后的早期发育对不孕症的干预和提高体外受精技术的成功率具有重要意义。

然而，由于伦理和技术的限制，人类胚胎植入子宫后的早期发育长期处于“黑箱”状态。

12月12日，昆明理工大学灵长类动物转化研究所的李天庆、纪与云南省第一人民医院生殖科合作，宣布开发三维人体胚泡培养系统，并首次绘制了人体胚胎发育全景图，为研究植入后早期胚胎发育奠定了研究基础。相关研究结果在同一天的《自然》杂志上发表。

7天后的“黑暗地带”

人类胚胎需要植入母亲的子宫中才能存活和发育到发育的第7天。

7天后，胚胎的子宫发生了什么变化，导致这些变化的关键细胞和分子事件是什么？由于伦理考虑和技术限制，这些问题很难通过实验手段来分析。

如果人类胚胎能够在体外继续发育，并且仍然在体内呈现胚胎发育的结构和过程，将为进一步了解人类胚胎发育的机制开辟更广阔的前景。

早在2016年，来自剑桥大学和洛克菲勒大学的两个研究小组成功地将人类胚泡在二维(2D)培养皿中的培养推迟到了113天。这些2D培养的胚胎最初显示出体内胚胎发育的一些简单结构。这项里程碑式的工作被《科学》杂志评为2016年世界十大科技进步，这也促使世界各地的科学家发起了一系列新兴研究。

2019年8月，课题组和唐课题组在北京大学第三医院应用上述体外模拟人胚胎着床培养系统，首次解释了人胚胎着床过程中(受精后第5天至第14天)基因表达调控网络和DNA甲基化的动态变化规律，并分析了床周胚胎发育的分子调控机制。

然而，作为研究材料，2D培养的胚胎具有先天性缺陷。这些胚胎是扁平的，并且与子宫内胚胎的细胞在形态和拓扑关系上有明显的差异。尽管这些胚胎在12天后继续存活，但整个胚胎结构崩溃和紊乱，导致许多细胞类型(羊膜上皮)、腔(羊膜腔、卵黄囊)和结构(基底膜、前后轴、原始条纹)不能被清楚地观察到。

“这些缺陷使得2D体外培养系统很难真正模拟胚胎在体内的发育。”该论文的交流作者之一、昆明理工大学灵长类动物转化研究所教授李天庆告诉《中国科学日报》。

从2D到3D

李天庆的研究团队多年来在培养基设计和组织细胞培养方面积累了丰富的经验。这一次，他们改进了培养基的组成和培养方法，添加了某些生物材料来模拟子宫的内部环境，并在三维(3D)结构中支持胚胎的生长和发育。

研究人员首次使用该系统在获得伦理许可和患者知情同意的条件下，将临床捐赠的人类胚泡培养至成束期(第14天)。然而，没有早期的神经系统发育，这符合当前胚胎研究的国际伦理。

这些3D胚胎可以高度模拟体内胚胎的发育，经历不同形式的发育，并自发组装成在2D条件下无法生成的3D结构。

这项研究揭示了一些有趣的事实:与老鼠等啮齿动物不同，人类羊膜上皮细胞出现在原始链形成之前；猴子和人类的上生殖层细胞在新陈代谢上有明显的差异，而它们在维持干细胞和关键分子的多能性以及发育的信号通路上是保守的。上皮细胞(PSCs，多能干细胞)将在植入后很快从幼稚变为成熟。PSC表达谱的变化主要发生在两个阶段，从内细胞团到植入前的上胚层细胞和原始链的产生。从植入日到第14天，PSC保持相对稳定...

"多能干细胞的发现尤为重要."李天庆说:“原始干细胞的分化能力和嵌合能力远远高于原始干细胞。然而，在现实中很难获得原始的干细胞系。如果我们能够清楚地研究多能干细胞从原始状态到原始状态的转化过程，对干细胞的研究和应用具有重要意义。”

探索哺乳动物的“里程碑事件”

中国科学院院士、昆明理工大学灵长类动物转化医学研究所所长纪在接受《中国科学日报》采访时表示，该研究所长期以来一直关注灵长类胚胎早期着床和着床后发育的研究。早在2019年10月底，我院就与云南灵长类生物医学重点实验室等单位合作，实现了食蟹猴胚胎20天的体外培养，并对这一过程中的细胞和分子变化进行了详细研究。

灵长类胚胎植入后的早期发育是哺乳动物发育中的一个里程碑事件，但这一阶段也是胚胎发育研究中最不明确的阶段之一纪说:“这一阶段发育异常不仅会导致胚胎流产，而且会对整个个体今后的生长发育产生深远的影响。系统研究这一阶段的细胞和分子生物学事件具有重要意义

"然而，我们不能直接观察人体的这一阶段."没有参与这项研究的同济大学教授高绍荣一直在密切关注这项工作的进展。“在体外建立一个能够更好地模拟内部环境的胚胎培养系统，将使我们能够充分了解这一过程中发生的微观事件，如人类发育早期的细胞分化、组织分化和器官形成。”

“与以前的2D培养技术相比，3D培养技术的优势在于创造了一个更接近母亲子宫的体外环境，并更准确地显示更多发育细节。”高绍荣说，“这是一项值得期待的技术。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1875-y.