Advanced Science | 中国科学院顾奇/王红梅/王树涛建立体外生命孕育平台：仿生子宫培养囊胚至心跳出现

在构建体外培养平台以模拟子宫进行胚胎植入和进一步发育时，需要考虑子宫的机械性能和微观结构等基本物理特征，但长期以来一直被忽视。 

2022年7月17日，中科院动物所顾奇研究员、王红梅研究员与中科院理化所王树涛研究员团队共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“A Uterus-Inspired Niche Drives Blastocyst Development to the Early Organogenesis”的研究论文，该研究基于对一系列参数（胶原凝胶的不同浓度和厚度）的系统研究，建立了通过将胶原凝胶移植到聚二甲基硅氧烷上构建的受子宫启发的生态位 (UN)，以从本质上指定和模拟小鼠子宫的力学和微观结构。

这种全新而独特的系统在支持胚胎入侵方面非常强大，胚胎与UN系统之间的特殊相互作用证明了这一点，成功地促进了 E3.5 胚胎发育进入早期器官发生阶段。总之，该研究开发了仿生子宫，控制胚外组织迁移组装，模拟胚胎着床，首次成功将E3.5胚胎在体外发育至早期器官发生阶段（E8.5）， 该仿生子宫是发育生物学和组织工程的强大工具。

自然子宫结构是由三层组成的高度分层的结构。子宫内膜的顶层被子宫肌层和子宫周膜层包围，在植入过程中对胚胎的附着和侵袭起着至关重要的作用。胚泡的滋养外胚层 (TE) 细胞首先与子宫上皮细胞接触以进行植入。对于小鼠，胚泡在胚胎期 (E) 4.0-E4.5 附着在母体子宫内膜上，附壁 TE（内细胞团对面的 TE 部分-ICM），其发育成滋养层巨细胞（TGC），可分泌孕激素/雌激素和基质金属蛋白酶，以重塑子宫内膜的细胞外基质（ECM）并保证成功植入。与 ICM 相邻的极性 TE 将发育成胚外外胚层 (ExE) 并最终发育成胎盘，而 ICM 会产生外胚层和下胚层，这将进一步促进主胚胎体和卵黄囊。胚胎着床是胚胎正常发育的先决条件：EPI腔和ExE腔的形成、“卵柱”结构的伸长（伴随羊膜腔形成）、原肠胚形成、神经形成、心管形成等。这些事件可能导致胚胎异常甚至妊娠失败。为了可视化和操纵植入过程和植入后胚胎发育，自 1930 年代以来就提出了胚胎体外培养 (IVC) 技术。已经尝试了各种基质来支持体外植入前和植入后小鼠胚胎的发育，例如子宫基质细胞、生物材料以及将这两者结合起来。

用于包被培养皿的基质蛋白包括琼脂、胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白和基质胶基质。目前，Zernicka-Goetz 可在体外培养 E3.5 胚胎至 E6.75。而 E4.5 胚胎发育由 Matrigel-胶原蛋白混合物或 DexMA 或 PEG 支持， Takashi Hiiragi 和 Aguilera-Castrejon 可在体外培养至 E6.0，使用滚筒培养平台在体外将 E5.5 胚胎推至 E11.0。然而，体外胚胎从着床前阶段就很难长期发育，很少有研究发现体外培养系统既能完成早期滋养细胞侵入基质，又能支持E3.5胚胎发育超过肠胃后阶段。子宫的机械性能和微观结构决定了植入的结果。然而，很少有研究专注于基于这些特征模拟子宫环境。输卵管和子宫上皮的杨氏模量≈100-1000 Pa，而传统的聚苯乙烯培养板约为1 GPa，这表明培养板不适合胚胎的体外培养。寻找合适的基质组合以密切模拟子宫机械性能和微观结构将为支持胚胎体外发育提供可能的平台。

胶原蛋白可形成多孔纤维结构，帮助细胞附着、发育和迁移，可广泛用于仿生环境的构建。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其稳定性、透明性、柔韧性和生物相容性而被广泛用于细胞培养。虽然PDMS和胶原蛋白已被用于体外培养，但从力学和微观结构的角度构建受子宫启发的微环境以实现胚胎的长期体外发育仍然是一个挑战。

在这项研究中，通过在 PDMS 上放置一层胶原蛋白，构建了一个受子宫启发的生态位，该生态位在物理模量和微观结构方面与 E3.5 子宫非常相似。使用这种强大而独特的系统，可以很好地观察到胚胎对基质的侵入，并且胚胎在一系列关键发育事件中表现出高发育效率并发育到早期器官发生阶段。

总之，该研究开发了仿生子宫，控制胚外组织迁移组装，模拟胚胎着床，首次成功将E3.5胚胎在体外发育至早期器官发生阶段（E8.5）， 该仿生子宫是发育生物学和组织工程的强大工具。

中科院动物所顾奇研究员、王红梅研究员与中科院理化所王树涛研究员为共同通讯，北京科技大学顾振与中科院动物所郭佳、翟晶磊和冯桂海为论文的共同第一作者。上述研究工作得到了中国科学院A类战略性先导科技专项“器官重建与制造“（XDA16000000），中国科学院器官智造工程实验室项目（KFJ-PTXM-039），国家重点研发计划（2018YFE0201100），中国科学院青年团队项目（YSBR-012），王宽诚教育基金会（GJTD-2019-06），中央高校基本科研业务费（FRF-TP-20-019A2, FRF-BR-20-03B）等项目支持以及先导项目责任专家和监理专家的指导。

参考消息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202282

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！