首次開發出觀察胚胎著床的方法

小鼠胚胎中所有細胞外膜發出紅光。 一小部分細胞表達發出綠光的蛋白意味著它們是指示頭部發育的細胞。 圖片來自劍橋大學格登研究所Magdalena Zernicka-Goetz教授。

2012年2月14日， 《自然-通訊》期刊報到了一種研究哺乳動物胚胎發育的新方法。 這項研究是由英國劍橋大學Magdalena Zernicka-Goetz教授實驗室完成的。 它能夠讓科學家觀察胚胎發育的關鍵階段， 而這在以前是人們無法觀察到的。

幾十年以來， 科學家一直能夠培養胚胎從單個細胞即受精卵到胚泡(blastocyst)---單個受精卵經過幾輪細胞分裂產生的64細胞階段的球體。 在實際應用中， 這允許科學家開發出體外受精技術輔助生育。

它也能夠讓科學家更多地瞭解在胚胎發育早期階段哪些細胞最先對它們的命運作出決定。 這是因為在胚胎最初4天發育中， 人們能夠觀察到它們經歷的發育事件， 而且在模式動物如小鼠中， 人們可以操縱涉及發育過程的基因表達以便更好地理解它們所起的作用。

64細胞階段的胚泡由三種細胞類型組成， 其中一種類型是少量的將發育成完整生物個體的幹細胞， 它們由另外兩種胚外層細胞(extra-embryonic cell)類型所撫育， 而且這兩種胚外層細胞類型不僅促進胎盤產生， 而且當幹細胞群體擴大時發出指示特定發育事件產生的信號。 當前， 人們對導致這三種細胞類型形成的分子和細胞事件有了相當深刻的理解。

然而， 科學家對隨後發生的發育事件的瞭解相當有限。 這時所處的發育階段(大約發育第4天)是發育中的胚胎在母親子宮著床， 當這發生時胚胎的發育人們便不能觀察到。 然而這是胚胎發育的一個非常重要的階段， 因為胚胎外組織將給幹細胞提供信號指示它們在何處產生身體上的頭部和尾部。

研究人員應當可以從諸如小鼠之類的模式生物系統中復原出這種胚胎發育過程：當該過程發生時， 人們從拍攝的圖片中構建出當中到底發生什麼。 但是直到現在， 當它發生時， 人們一直不能夠記錄這種過程， 更不用說理解參與到當中的其他過程。

利用小鼠胚胎作為模式動物， Zernicka-Goetz教授和她的同事們成功地開發出一種能夠觀察胚胎在子宮中著床的方法，

最為重要的是， Zernicka-Goetz教授領導的研究小組如今能夠對這個關鍵性的發育階段製作出影片。 該影片正揭示關於指示胚胎在何處產生頭部的胚外層細胞簇來源的秘密。 他們使用一種只在指示這種“頭部”產生的區域中表達的基因， 而且該基因被一種能夠發出螢光的蛋白標記以便在體外培養的胚胎中追蹤這些胚外層細胞。

通過這種方式， 他們能夠確定這些細胞起源自胚泡階段的一到兩個細胞， 它們的後代細胞最終在胚胎一個特定部分簇集在一起， 然後集體地遷移到它們指示頭部發育的位置。

這項研究的通訊作者Zernicka-Goetz教授說， “這種方法不僅揭示出人們之前不能觀察的發育事件， 而且它還有著其他重要的潛在性應用。 正是在這種發育階段自然的幹細胞群體發生擴增為構建出一個完整的身體打下基礎。 ”

“在小鼠中， 在能夠產生所有身體組織從而構建出一個完全新的有機體的胚泡階段從胚胎中建立幹細胞系是相當容易的。 然而在人類中， 這種幹細胞系更加難建立。 這種新技術為人們提供希望：通過允許人們以一種類似體內胚胎正常發育的方式在體外擴增自然的幹細胞群體， 它應當使得人們很容易建立幹細胞系。

這項研究是在劍橋大學格登研究所完成的， 實驗中所採用的培養基是與英國諾丁漢大學藥學院共同開發的。