13.1.3　早期胚胎体外延长培养体系的建立

2014年，剑桥大学的胚胎发育学家Magdalena Zernicka-Goetz的研究团队首次实现了小鼠着床后胚胎的体外延长培养［26］。在此基础上，科学家们第一次在体外观察到胚胎着床后发育的一些关键事件，并推翻了之前公认的胚胎发育过程中腔形成的细胞凋亡学说［49］，从而改写了教科书。王红梅和顾奇团队利用胞外基质开发出仿生子宫，首次成功将小鼠E3.5胚胎在体外发育至早期器官发生阶段（E8.5）［50］。Jacob H.Hanna团队利用工程技术构建了用于植入后小鼠胚胎的子宫外培养的高效平台，其能使胚胎从原肠胚形成之前（E5.5）发育到后肢形成阶段（E11）［51］。该培养平台为一个电子控制的细胞培养箱，能严格控制诸如氧气、压力、温度等参数，以此来模拟小鼠胚胎所必需的生长发育条件。在这个平台，E5.5或E6.5胚胎通过结合静态和旋转瓶培养的方式进行延长培养，而晚期原肠胚（E7.5）则通过三维旋转瓶进行延长培养。

基于小鼠胚胎体外延长培养的工作，2016年人胚胎体外延长培养取得了重大的突破［27，28］。剑桥大学的Magdalena Zernicka-Goetz和洛克菲勒大学的Ali H.Brivanlou两个研究团队的工作同时在Nature Cell Biology和Nature发表，首次报道了在体外无需任何母体和基质的条件下，将人的囊胚在培养板里培养到第13天。延长培养的胚胎展现出一系列着床后胚胎早期发育过程中的关键事件：上胚层极化，羊膜腔和卵黄囊的形成，双层胚盘的产生以及滋养层的分化。这两个研究团队通过囊胚延长培养，第一次在体外重现出人胚胎在体内的一些关键发育事件，为认识和探索人早期胚胎的发育提供了一个比较好的平台。2019年，北京大学的汤富酬教授团队和乔杰院士团队合作，基于Magdalena Zernicka-Goetz和Ali H.Brivanlou两个团队2016年开发的胚胎延长培养体系，结合高精度单细胞多组学测序技术，首次绘制了人胚胎着床过程中基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化的图谱，从而解析了人围着床期胚胎发育的分子调控机制［34］。(https://www.daowen.com)

然而，着床后的胚胎在母体内的发育是在一个3D子宫环境下进行的。因此，2D贴壁培养体系产生的胚胎与真实胚胎的发育情景存在较大差异。更为重要的是，上述2D培养系统下培养的人胚胎，在第13天后，胚胎中的上胚层细胞几乎完全消失。而上胚层是最终发育为胎儿的一群多能细胞，没有上胚层细胞，胚胎就不可能发育产生胎儿，因此，上胚层细胞可以说是胚胎中最为重要的一类细胞。为了解决2D培养系统的缺陷，李天晴和季维智团队开发了一种新的3D培养体系，使人的囊胚培养到原条阶段，获得了胚胎的3D结构特征，包括羊膜腔、卵黄囊、前后轴、基底膜和双胚盘；这是第一次在体外观察到人胚胎原条结构和胚外中胚层的出现［32］。王红梅团队以及谭韬和季维智研究团队分别将非人灵长类胚胎在体外培养至20天，并揭示了食蟹猴胚胎原肠运动特征［35，36］。这是目前国际上首次将灵长类动物胚胎培养至原肠运动阶段，并首次在体外看到灵长类胚胎原肠运动的特征，证明了利用体外培养体系研究人胚胎发育的有效性。