在观察胚胎的发育过程中，科学家们通常需要对胚胎进行取样或破坏性检测，以了解其内部和表面的变化。这种通常需要破坏性样本处理或基于固定的静态图像的方法，由于伦理问题而在人类胚胎上的应用受限。
2023年7月5日，宾夕法尼亚大学佩尔曼医学院再生医学研究所，波士顿IVF-Eugin集团和西班牙Igenomix基金会合作，通过使用荧光染料，实现了在不进行基因操作的情况下对人类胚胎进行活体成像。通过活体成像，研究人员揭示了人类胚胎形态发生过程中与小鼠胚胎的差异。研究还发现，囊胚扩张过程会导致滋养层细胞的细胞核分裂和DNA脱落。此外，囊胚扩张或活检时的机械应力会触发核DNA的丢失。
相关论文以Human embryo live imaging reveals nuclear DNA shedding during blastocyst expansion and biopsy为题，发表在Cell期刊上。本论文共同通讯作者分别是Denny Sakkas,Carlos Simo´ n 和 Nicolas Plachta。
图1 人类胚胎的活体成像揭示了与小鼠发育不同的特点，并揭示了囊胚扩张和为了胚胎植入前基因检测而进行的活检过程中，滋养层细胞核DNA脱落与机械应力的关联。
2023年7月6日，Miryam Naddaf在Nature发表了题目为“Developing human embryos imaged at highest-ever resolution”的评论，评论指出这种非侵入性成像方法在胚胎筛选领域是一种创新技术，以最高分辨率实现发育中的人类胚胎成像。
这篇文章介绍了一项关于人类胚胎发育的研究，研究人员使用了荧光染料和激光显微镜，捕捉到了迄今为止最详细的人类胚胎发育图像。这种非侵入性的成像方法能够在不改变胚胎基因的情况下观察胚胎发育的最初几天的关键事件，避免了以往某些成像技术由于伦理关切而在人类胚胎上的应用受限的问题。
【亮点预览】
· 荧光染料使得在无需基因操作的情况下能够对人类胚胎进行活体成像
· 人类与小鼠胚胎形态具有差异
· 囊胚扩张导致滋养层细胞核脱落和DNA脱落
· 囊胚扩张或活检过程中机械应力触发核DNA损失
图2 使用荧光染料SPY650-DNA（蓝色）和SPY555-肌动蛋白（粉色）对一个活体的人类胚胎进行成像。
【具体研究】
研究人员通常需要使用事后样本研究人类胚胎，因为许多用于标记活细胞的工具需要通过基因修饰来产生荧光蛋白。他们采用了一种新方法，使用可以简单添加到样本中的荧光染料来标记特定的细胞结构。
图3. 使用荧光染料对活体小鼠胚胎进行成像可以避免基因操作或mRNA注射的需求。
这项研究使用的胚胎是通过体外受精（IVF）诊所捐赠的。它们处于发育的非常早期阶段，每个胚胎仅由60到100个细胞组成，还没有形成完全成熟的组织或器官。研究人员使用强大的激光扫描显微镜，在胚胎发育的前40个小时内观察了数十个活体胚胎。
他们观察到，在胚胎外层细胞（称为滋养层）中，细胞在细胞复制的一个阶段称为间期中会丢失部分DNA。这类错误可能与染色体异常有关，比如早期胚胎中的染色体数目异常（aneuploidy），这与流产和着床失败有关。
图4. 人类囊胚中的细胞分裂和染色体分离错误
他们还比较了人类胚胎和常用的小鼠模型中的关键事件，发现了一些重要的差异。例如，一个称为"compaction"的过程（囊胚内细胞之间紧密连接和结合，形成紧凑的细胞群体），在人类胚胎的12细胞阶段开始，而在小鼠中是8细胞阶段；这个过程在人类胚胎中也更加异步，导致内外细胞形成的变异。
图5 染色的人类胚胎展示了产生外-外和内-外子细胞的不同类型的分裂，这些分裂与囊胚压实同时发生。
细胞有丝分裂过程中发生的染色体分离错误经常会导致植入前胚胎的非整倍体。他们的数据显示，在细胞间期，细胞核也可能由于囊胚腔膨胀或活检过程中受到的机械应力而将DNA脱落到细胞质中。随着随后的细胞分裂，具有染色体分离错误或DNA脱落的细胞可能会产生具有异常基因组内容的后代。
图6. 胚胎中产生DNA损失的过程示意图
【总结】
这项研究的结果对于了解人类胚胎发育和早期胚胎损伤修复过程具有重要意义。通过使用活体成像技术，科学家们可以更加精确地观察和研究人类胚胎的发育过程，从而提供了更多关于早期胚胎发育的珍贵信息。
这项研究的创新之处在于使用荧光染料来实现对人类胚胎的活体成像，而不需要进行基因操作。这一方法的开发为人类胚胎研究领域带来了新的突破，并且有望进一步拓展我们对人类胚胎发育过程的认识。
未来，这项研究的成果可能有助于改善辅助生殖技术的成功率，并提供更有效的胚胎筛选方法。此外，对于胚胎损伤修复和早期发育异常的研究也可能受益于这项研究的发现。
参考文献：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.06.003
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02222-3
来源：BioMed科技
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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