Nature：重磅！在子宫外培养哺乳动物胚胎

2021年3月22日讯/生物谷BIOON/---观察一个由相同细胞组成的小球如何在成为哺乳动物胚胎的过程中首先附着在等待的子宫壁上，然后发育成神经系统、心脏、胃和四肢：这是近100年来胚胎发育领域的一个高度追求的最高目标。在一项新的研究中，以色列魏茨曼科学研究所的Jacob Hanna教授及其团队如今完成了这一壮举。他们构建的在胚胎植入后的初始阶段在子宫外培养小鼠胚胎的方法将为科学家们提供一个前所未有的工具，以了解基因中编码的发育程序，并可能提供与出生和发育缺陷以及胚胎植入有关的详细信息。相关研究结果于2021年3月17日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis”。

图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

Hanna解释说，如今人们对哺乳动物胚胎发育的了解，大多来自于观察青蛙或鱼类等非哺乳动物产下透明卵的过程，或者从解剖的小鼠胚胎中获得静态图像，并将它们叠加在一起。他补充说，在子宫外培养早期胚胎的想法从20世纪30年代之前就已经存在，但基于这些建议的实验成功率有限，而且胚胎往往是不正常的。

Hanna团队决定重新努力，以推进他的实验室的研究，该实验室专注于胚胎干细胞的发育程序的执行方式。七年来，通过试错、微调和反复检查，他的团队想出了一个两步走的过程，在这个过程中，他们能够让发育正常的小鼠胚胎在子宫外生长6天---大约是20天妊娠期的三分之一---这时胚胎已经有了明确的躯干规划和可见的器官。Hanna说，“对我们来说，这是胚胎发育中最神秘、最有趣的部分，我们现在可以观察到它，并以惊人的细节对它进行实验。”

这项研究由Hanna实验室的Alejandro Aguilera-Castrejon、Bernardo Oldak博士、已故的Rada Massarwa博士和Noa Novershtern博士以及Hanna以前的学生Itay Maza博士领导。

在持续了大约两天的第一步骤中，Hanna团队从几天大的小鼠胚胎开始--就在它们植入子宫之后。在这个阶段，小鼠胚胎是由250个相同的干细胞组成的球。他们将这些球放在实验室培养皿中的特殊生长培养基上，让这些球附着在这种培养基上，就像它们附着在子宫壁上一样。通过这一步骤，他们成功复制了胚胎发育的第一阶段，在这一阶段，胚胎的大小是原来的两倍到三倍，这是因为它分化成三层：内层、中层和外层。

在两天后，随着小鼠胚胎进入下一个发育阶段---从每一层中形成器官，它们需要额外的条件。在这第二步骤中，Hanna团队将小鼠胚胎放在小烧杯的营养液中，并将烧杯放置在使营养液保持运动并不断混合的滚轮上。这种混合似乎有助于让那些在没有母体血液流向胎盘的情况下生长中的胚胎沐浴在营养液中。除了小心翼翼地调节烧杯中的营养物外，他们在进一步的实验中还学会了密切控制气体、氧气和二氧化碳---不仅仅是数量，还有气体压力。

为了检查他们在这两个步骤中观察到的发育过程是否正常，Hanna团队仔细比较了相关时间段内从怀孕小鼠中取出的胚胎，发现这两组胚胎的分层和器官形成几乎完全相同。在随后的实验中，他们在胚胎中插入给生长中的器官标记上荧光分子的基因。这一尝试的成功表明，对这一系统进行涉及多种遗传操作和其他操作的进一步实验应该会产生可靠的结果。Hanna说，“我们认为你可以将基因或其他因子注入细胞，改变条件或用病毒感染胚胎，我们演示的系统将给你带来与小鼠子宫内发育一致的结果。”

他补充道，“如果你给胚胎提供合适的条件，它的遗传密码就会像预先设定好的多米诺骨牌一样，一个接一个地倒下。我们的目的是重现这些条件，现在我们可以实时地观察到每一张多米诺骨牌击中下一张骨牌的过程。”Hanna解释说，除此之外，这种方法还将降低发育生物学领域的研究成本，加快研究进程，并减少对实验室动物的需求。

事实上，Hanna实验室的下一步将是看看他们能否跳过从怀孕小鼠身上取出胚胎的步骤。他和他的团队打算尝试制造由干细胞制成的人工胚胎，用于这项研究。除此以外，他们希望将他们的新方法用于回答诸如为什么有那么多的怀孕无法实现胚胎植入，为什么胚胎植入窗口如此之短，干细胞如何随着分化的进展而逐渐失去“干性”，以及怀孕期的哪些条件可能在日后导致发育障碍等问题。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Alejandro Aguilera-Castrejon et al. Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03416-3.

2.Advanced mouse embryos grown outside the uterus
https://phys.org/news/2021-03-advanced-mouse-embryos-grown-uterus.html