中科院动物所合作建立体外生命孕育平台:仿生子宫培养囊胚至心跳出现

  《流浪地球》《黑客帝国》等科幻电影中经常出现的体外生命再造,在现实生活中也是当今科学研究面临的挑战,代表性的是体外胚胎发育研究,用于探究生命发育的奥秘、解答临床生殖生育难题等,甚至改变分娩方式,解决生育意愿等问题。

  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联合攻关,耗时近5年,开发仿生子宫,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),相关成果近期以《A Uterus-Inspired Niche Drives Blastocyst Development to the Early Organogenesis》为标题在《Advanced Science》发表。

  体外胚胎发育的关键是人造子宫的开发,胚胎在植入子宫过程中,涉及一系列机械物理和生物化学变化,这对于胚胎的发育至关重要,也是早期胚胎发育研究的“黑盒子”(Pan-Castillo et al., 2018)。目前还没有针对体外早期胚胎培养基底或三维环境的系统性研究,尤其是针对囊胚期之后的材料或三维环境要求。为了更有利于胚胎体外发育,联合团队首先系统分析子宫物理化学性质,将胶原凝胶接枝到聚二甲基硅氧烷上,筛选系列条件,最后成功模拟子宫微环境(仿生子宫(UN))来制备人造子宫(图1,图2)。这种全新而独特的仿生子宫系统支持胚胎入侵材料内部,可从微观直接观察胚胎与仿生子宫系统之间的特殊相互作用,并支撑E3.5胚胎发育至心跳阶段(E8.5)(图3)。创新点是宏观上通过生物材料模拟子宫环境延长胚胎培养,微观上揭示胚胎与材料的作用机制。联合攻关团队整合了发育生物学、材料科学、微纳制造等多学科手段,创建体外孕育生命的平台,促进了解早期胚胎发育的黑盒子,揭示了微环境如何影响胚胎发育,为体外延长胚胎培养提供理论依据。生物材料和力学生物学的引入为传统的发育生物学注入新的力量,是揭示胚胎发育机理的重要手段,并将为构建基于干细胞的胚胎模型提供解决方案。

图 1. 基于体内子宫微环境的仿生子宫(UN)系统设计。a) 胚胎附着于子宫内膜的示意图。森林绿,滋养外胚层;烟白色,外胚层;柠檬色,原始内胚层细胞;电子蓝,滋养外胚层衍生细胞;老虎黄,子宫内膜。b) 显示仿生子宫系统制备程序的示意图。c) 用于体外胚胎培养的仿生子宫示意图。i,包含仿生子宫系统的4孔培养板的数字图像。比例尺,1 cm。ii,带有胚胎附着位点示意图的培养基质横截面的放大图。比例尺,500 μm。iii,胶原蛋白、PDMS 和Sulfo-SANPAH的分子结构,其中Sulfo-SANPAH作为仿生子宫系统中胶原蛋白和PDMS之间的共价结合链接。

图 2. 仿生子宫系统的力学性能测试和形态特征。a) 通过单轴拉伸和AFM测试在拉伸和压痕两种模式下评估机械性能的示意图。老虎黄,子宫内膜;玛雅蓝,天然子宫;淡蓝色,脱细胞 (decell) 子宫。b) 脱细胞子宫的横截面和表面示意图。c) 通过单轴拉伸试验测量E3.5子宫角 (n = 32) 和PDMS (n = 20, 基体和交联剂的质量比为10:1) 的杨氏模量 (E)。d) 通过AFM测试测量子宫内膜 (E3.5) (n = 6) 和胶原蛋白 (n = 6, 7.5 mg/mL, 46 ± 10 μm 厚度) 的杨氏模量 (E)。e) 子宫角、子宫内膜、PDMS、胶原蛋白和培养皿的杨氏模量范围。f) decell E3.5子宫基质和胶原蛋白的横截面和表面的SEM图像。比例尺,3 μm(上图)和5 μm(下图)。g) decell E3.5子宫基质和胶原蛋白的横截面和表面的 SEM 图像的纤维直径 (i 和 iii) 和纤维网孔面积 (ii 和 iv)。ImageJ用于分析样品的纤维直径和孔面积。对于 (f) 和 (g),decell E3.5 子宫:n = 4 和 3 分别来自横截面和表面的子宫样本,每个样本统计 5 个图像; 胶原蛋白:n = 3 来自胶原凝胶的横截面和表面,分别计数每个样品的 5 个图像,7.5 mg/mL,厚度为 46 ± 10 μm。

图 3. IVC 小鼠胚胎的从围着床期到早期器官发生阶段的发育事件。a) 小鼠胚胎从植入前到早期器官发生阶段的示意图。E,胚胎时间。b)在体内和体外指定阶段生长的小鼠胚胎的代表性明场图像。白色虚线表示胚体。比例尺 = 100 μm。Day,体外培养日。黑色虚线表示胚胎区域中 A-P 轴的长度。c) 统一流形逼近和投影 (UMAP) 图,显示细胞图谱。根据下面的图例,单元格按其单元格类型注释着色。E6.5(14935 个细胞)、E8.5(15116 个细胞)、PDCO(21546 个细胞)、PD(16989 个细胞)。d) UMAP 嵌入覆盖显示来自指定胚胎的细胞来源。e)体内和体外胚胎总细胞中不同细胞类型的百分比。f) 体内和体外胚胎总细胞中早期和晚期胚胎发育细胞的百分比。早期发育,E6.5 胚胎中的细胞类型,晚期发育,除 E6.5 胚胎中的其他细胞类型。

  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金沙下载js6666A类战略性先导科技专项“器官重建与制造“(XDA16000000),金沙下载js6666器官智造工程实验室项目(KFJ-PTXM-039),国家重点研发计划(2018YFE0201100),金沙下载js6666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。

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