臨床上，大約30~40%的情況下，胚胎會出現(xiàn)無法著床或正常發(fā)育的現(xiàn)象，部分原因來自胚胎，然而具體機制尚不清晰。

闡明胚胎從著床開始的早期發(fā)育情況，對不孕癥的干預(yù)、試管嬰兒技術(shù)成功率的提升至關(guān)重要。

然而人類胚胎在植入子宮后的早期發(fā)育情況，由于倫理和技術(shù)的限制而長期處于“黑匣子”般的狀態(tài)。

12月12日，昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化研究院李天晴和季維智團隊與云南省第一人民醫(yī)院生殖科合作，宣布開發(fā)出一個三維（3D）人囊胚培養(yǎng)體系，并且首次繪制了人原腸前胚胎的發(fā)育全景圖，為研究人著床后的早期胚胎發(fā)育建立了研究基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果于當日在線發(fā)表于《自然》雜志。

7天之后的“黑暗地帶”

人類胚胎發(fā)育到第7天，需要植入母親的子宮，才能繼續(xù)存活和發(fā)育。

7天之后，胚胎在子宮中發(fā)生了什么變化，導(dǎo)致這些變化的關(guān)鍵細胞和分子事件是什么？出于倫理考慮和技術(shù)限制，這些問題很難用實驗手段來解析。

如果能在體外環(huán)境下讓人類胚胎繼續(xù)發(fā)育，并且仍能呈現(xiàn)胚胎在體內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)和進程，將為深入認識人類胚胎發(fā)育機制打開更廣闊的局面。

早在2016年，劍橋大學(xué)和洛克菲勒大學(xué)的兩個科研團隊在二維（2D）培養(yǎng)皿中成功將人囊胚延遲培養(yǎng)到12～13天，這些2D培養(yǎng)的胚胎初步顯示出體內(nèi)胚胎發(fā)育的一些簡單結(jié)構(gòu)。

這項里程碑式的工作被《科學(xué)》評為2016年全球10大科技進展之首，也帶動全世界的科學(xué)家們展開了一系列新興研究。

2019年8月，北京大學(xué)喬杰課題組和湯富酬課題組應(yīng)用上述體外模擬人類胚胎著床培養(yǎng)體系，首次闡述了人類胚胎著床過程（受精后第5天到14天）的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和DNA甲基化動態(tài)變化規(guī)律，解析了圍著床期胚胎發(fā)育的分子調(diào)控機制。

然而，2D培養(yǎng)的胚胎作為研究材料有著先天缺陷。

這些胚胎是扁平的，與子宮內(nèi)的胚胎在形態(tài)上、細胞之間的拓撲關(guān)系上有著明顯差異。

盡管這些胚胎12天后仍在繼續(xù)存活，但整個胚胎結(jié)構(gòu)發(fā)生了坍塌和紊亂，導(dǎo)致很多細胞類型（羊膜上皮）、腔（羊膜腔、卵黃囊）和結(jié)構(gòu)（基底膜、前后軸、原條）都無法清楚觀測。

“這些缺陷決定了2D體外培養(yǎng)體系很難真正模擬體內(nèi)胚胎的發(fā)育?！?此次發(fā)表論文的通訊作者之一、昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化研究院教授李天晴對《中國科學(xué)報》說。

從2D走向3D

李天晴課題組多年來在培養(yǎng)基設(shè)計和組織細胞培養(yǎng)上積累了豐富經(jīng)驗。

這一次，他們改善培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)方法，加入一定生物材料來模擬子宮內(nèi)部環(huán)境，支撐胚胎以三維（3D）結(jié)構(gòu)生長發(fā)育。

研究人員利用這一體系，在獲得倫理允許和病人知情同意的條件下，首次將臨床上捐獻的人囊胚在3D條件下培養(yǎng)到原條階段（第14天），但未出現(xiàn)早期神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，符合當前胚胎研究的國際倫理。

這些3D胚胎能高度模擬體內(nèi)胚胎的發(fā)育，經(jīng)歷不同形態(tài)的發(fā)育并自發(fā)組裝成2D條件下無法產(chǎn)生的3D結(jié)構(gòu)。

研究揭示了一些有趣的事實：與小鼠等嚙齒類動物不同，人的羊膜上皮細胞發(fā)生于原條形成之前；猴子和人上胚層細胞在代謝上具有明顯差異，而在維持干細胞多能性以及發(fā)育的關(guān)鍵分子和信號通路上具有保守性；上胚層細胞（PSCs，多能干細胞）著床后將很快從原始態(tài)（naive）轉(zhuǎn)變到始發(fā)態(tài)（primed）。

其PSCs表達譜的變化，主要發(fā)生在內(nèi)細胞團到著床前上胚層細胞以及原條產(chǎn)生的兩個階段，PSCs在著床到第14天期間保持相對穩(wěn)定狀態(tài)……

“關(guān)于多能干細胞的發(fā)現(xiàn)尤為重要?！崩钐烨缯f，“原始態(tài)干細胞的分化能力和嵌合能力遠遠高于始發(fā)態(tài)。

但現(xiàn)實中很難獲得原始態(tài)干細胞系。

如果我們能研究清楚多能干細胞從原始態(tài)到始發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，對干細胞的研究和應(yīng)用有很重要的意義?！?/p>

探索哺乳動物的“里程碑事件”

本文另一位通訊作者，中國科學(xué)院院士、昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院院長季維智告訴《中國科學(xué)報》，該院長期關(guān)注靈長類動物胚胎早期著床后發(fā)育的研究。

2019年10月底，該院協(xié)同多個單位，實現(xiàn)了食蟹猴胚胎體外20天的培養(yǎng)，并對這一過程的細胞和分子變化進行了詳細研究。

“靈長類胚胎早期著床后發(fā)育是哺乳動物發(fā)育中的里程碑事件，然而這一階段也是胚胎發(fā)育研究中最不清楚的時期之一?！奔揪S智說。

“這一階段發(fā)育的異常不僅會導(dǎo)致胚胎流產(chǎn)，也會對將來整個個體的生長與發(fā)育產(chǎn)生深遠影響。系統(tǒng)研究這一階段的細胞及分子生物學(xué)事件，有著非常重要的意義。”

“然而我們無法直接在人體內(nèi)對這一階段進行觀察。”未參與此項研究的同濟大學(xué)教授高紹榮一直關(guān)注著這項工作的進展，“在體外建立一個可以較好模擬體內(nèi)環(huán)境的胚胎培養(yǎng)體系，就能讓我們充分了解這一過程中發(fā)生的微觀事件，比如人體發(fā)育早期的細胞分化、組織分化和器官形成等過程。”

“3D培養(yǎng)技術(shù)相較于之前的2D培養(yǎng)技術(shù)，優(yōu)勢在于體外創(chuàng)造一個更接近母體子宮的環(huán)境，更準確地展現(xiàn)更多發(fā)育細節(jié)。” 高紹榮說，“這是一項值得期待的技術(shù)。”

來源：小柯生命、科學(xué)網(wǎng)