编辑推荐：
本研究针对人类胚胎着床机制不清、缺乏合适模型的难题，开发了一种三维体外容受性子宫内膜模型（CREST），成功支持人类胚胎及类囊胚的植入与早期发育。通过单细胞转录组分析，揭示了胚胎-子宫内膜界面的配体-受体互作网络，并证实AXL/PROS1信号对滋养层侵袭的关键调控作用。该模型为研究人类妊娠起始、胎盘发育异常及相关妊娠疾病提供了全新平台。
人类胚胎成功植入子宫内膜是妊娠建立的关键步骤，然而这一过程具有高失败率，且由于伦理和技术限制，其对科研人员而言长期处于“黑匣子”状态。目前，我们对于胚胎如何与母体子宫对话、植入后如何进一步发育形成胎盘等关键事件知之甚少。以往的研究多依赖于动物模型或二维细胞培养，但这些系统难以真实模拟人体内复杂的细胞互作与三维结构。尤其重要的是，人类胚胎植入策略与其他哺乳动物存在显著差异，这限制了动物实验结果的临床转化。此外，现有的人类胚胎体外培养系统缺乏子宫内膜组织，导致胚胎发育受限，特别是胎盘前体细胞——滋养层细胞（trophoblast）的发育不佳。因此，开发能够真实模拟人类胚胎着床过程的体外模型，成为生殖医学领域的一项重大挑战。
为了解决这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，并在顶级期刊《Cell》上发表了他们的成果。他们成功构建了一种名为“细胞工程化容受性子宫内膜支架技术”（CREST）的三维体外模型。该模型利用从子宫内膜活检组织中分离的基质细胞（stromal cell）和上皮细胞（epithelial cell），在一种可降解的水凝胶中，重建了子宫内膜的表层结构，包括腔上皮（luminal epithelium）、腺体样结构（gland-like structure）和基质层。研究团队对该模型进行了激素刺激，模拟月经周期中的增殖期（proliferative phase）和分泌期（secretory phase），使其表现出容受性子宫内膜的关键特征，如基质细胞蜕膜化（decidualization）、腔上皮出现胞饮突（pinopode）以及腺体分泌妊娠相关蛋白（如glycodelin）。
为开展研究，团队运用了几项关键技术：首先，利用临床捐赠的子宫内膜活检组织分离并扩增原代上皮与基质细胞；其次，通过三维水凝胶（dextran-cyclodextrin hydrogel）与细胞外基质蛋白（ECM）共培养，构建具有生理硬度的子宫内膜模型；第三，采用激素序贯刺激方案诱导模型获得容受性；第四，将捐赠的冷冻人类囊胚（blastocyst）或干细胞衍生的类囊胚（blastoid）与模型共培养，实时观察植入过程；最后，利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）等技术分析植入界面的细胞互作。
建模细胞组织化的人类子宫内膜
研究首先从健康育龄期捐赠者的子宫内膜活检组织中分离出基质细胞和上皮细胞。基质细胞在单层培养中扩增，而上皮细胞则以类器官（organoid）形式培养，其具有分化为腔上皮和腺上皮的潜能。随后，将基质细胞封装在由葡聚糖聚合物和环糊精交联剂组成的可降解水凝胶中，并加入胶原蛋白I、III、VI和纤连蛋白（fibronectin）等细胞外基质成分，以模拟体内环境，促进细胞增殖并形成互连的成纤维细胞网络。最后，将子宫内膜类器官片段接种于水凝胶表面，最终形成包含连续腔上皮和下方基质层的多层组织结构，其厚度和硬度与体内子宫内膜相似，并出现了腺体样内陷。
CREST对激素产生响应并呈现组织容受性特征
为了模拟着床窗口期，研究人员对构建的子宫内膜模型进行了雌激素（E2）和孕激素（P4）的序贯刺激。结果显示，激素刺激诱导基质细胞从伸长形态转变为立方体形态，并分泌蜕膜化标志物泌乳素（PRL）和胰岛素样生长因子结合蛋白1（IGFBP1）。上皮细胞也发生重塑：在增殖期出现多纤毛细胞，而在分泌期纤毛细胞比例下降，分泌性标志物FOXA2阳性细胞比例上升。更重要的是，在激素刺激下，模型表面形成了胞饮突，并观察到腺体样结构加深，形成分支状管状网络，同时分泌糖德尔金（glycodelin, PAEP）等功能性蛋白，这些特征与体内着床窗口期的子宫内膜高度相似。
类囊胚在CREST中发生粘附和植入
研究团队利用naive人多能干细胞（naive human embryonic stem cell）来源的类囊胚进行测试。结果表明，类囊胚能够成功附着并植入CREST模型，在共培养6天后，可形成上胚层（epiblast）、下胚层（hypoblast）、羊膜腔（amniotic cavity）和卵黄囊（yolk sac）等着床后标志性结构，并分化出绒毛外滋养层细胞（extravillous trophoblast, EVT）和合体滋养层（syncytiotrophoblast, STB）等滋养层亚型，证明了CREST支持类囊胚植入和早期发育的能力。
人类胚胎在CREST中的植入
研究的关键进展在于使用真正的人类胚胎进行验证。将5天龄囊胚（5 d.p.f.）移植到经过激素刺激的CREST模型后，约60%的胚胎成功完成了从孵化、对位（apposition）、粘附（adhesion）到最终植入（implantation）的全过程。植入后，胚胎分泌的人绒毛膜促性腺激素（hCG）、人胎盘催乳素（hPL）、妊娠相关血浆蛋白A（PAPP-A）和胎盘生长因子（PIGF）等蛋白水平动态变化，反映了早期妊娠建立的复杂分子事件。
子宫内膜细胞促进胚胎有序发育
为了评估子宫内膜细胞在胚胎发育中的作用，研究人员比较了三种培养系统：二维（2D）附着模型、不含细胞的三维（3D）水凝胶模型以及包含子宫内膜细胞的CREST模型。结果发现，与不含子宫内膜细胞的系统相比，CREST模型不仅显著提高了胚胎和类囊胚的附着率和存活率，更重要的是，它促进了胚胎三个主要谱系（上胚层、下胚层、滋养层）的高度有序的空间组织。特别是在CREST中培养至14 d.p.f.的胚胎，形成了清晰的双层胚盘（bilaminar disc）、羊膜腔和卵黄囊，并显示出更先进的滋养层发育，包括细胞滋养层柱（cytotrophoblast column）、合体滋养层和绒毛外滋养层细胞，这些结构是早期胎盘发育的关键标志。
CREST支持着床后胚胎谱系的发育和组织
对植入CREST的胚胎进行详细形态学分析发现，胚胎发育达到了相当于Carnegie阶段（Carnegie Stage, CS）5c-6a的水平。免疫荧光染色显示，胚胎形成了上胚层玫瑰花结（rosette）、柱状下胚层细胞、卵黄囊腔，并推测存在羊膜上皮和胚外中胚层（extraembryonic mesoderm）。尤为重要的是，滋养层细胞广泛增殖和分化，形成了细胞滋养层壳（cytotrophoblastic shell）的雏形、初级绒毛（primary villi）以及充满液体的腔隙（lacunae），模拟了体内胚胎着床点最早期的胎盘形态发生事件。
人类胚胎植入微环境的分子特征
为了深入解析胚胎-子宫内膜界面的分子对话，研究人员对14 d.p.f.的胚胎植入点进行了单细胞RNA测序分析。通过与已发表的体外培养胚胎和体内子宫内膜数据集整合，成功鉴定了包括细胞滋养层（CTB）、合体滋养层（STB）、绒毛外滋养层（EVT）、下胚层（hypoblast）、卵黄囊内胚层（YS）、胚外中胚层（ExMes）和羊膜上皮（Am）在内的胚胎细胞亚群，以及子宫内膜的基质细胞和上皮细胞（包括分泌性腔上皮、纤毛细胞和分泌性腺上皮）。转录组分析表明，模型中的基质细胞大多处于蜕膜化状态。
剖析植入过程中的胚胎-子宫内膜相互作用
通过CellPhoneDB软件预测细胞间配体-受体相互作用，研究人员发现在滋养层细胞（尤其是EVT和STB）与子宫内膜细胞（上皮和基质）之间存在大量特异性的互作对，其中富含酪氨酸激酶及其配体等与细胞迁移和分化相关的信号通路。令人惊讶的是，许多在妊娠早期（6-14孕周）母胎界面富集的配体-受体互作在14 d.p.f.的植入点已经建立，表明滋养层-子宫内膜的通讯在胚胎发育极早期就已启动并持续存在。
概念体与子宫内膜细胞间的PROS1-AXL信号为滋养层生长所必需
研究团队进一步功能验证了预测的相互作用。他们发现，EVT表达的配体PROS1与其在子宫内膜基质细胞上表达的受体AXL之间的信号通路对滋养层生长至关重要。使用AXL特异性抑制剂Bemcentinib (R428)处理植入的胚胎或类囊胚后，尽管胚胎内部结构（如上胚层）未受显著影响，但滋养层细胞向基质层的侵袭生长受到严重抑制，其表型与在不含子宫内膜细胞的培养系统中观察到的类似，证明了这种旁分泌信号在支持胚胎发育中的关键作用。
研究结论与意义
本研究成功构建了首个能够高度模拟人类子宫内膜容受性并支持完整胚胎植入和早期着床后发育的三维体外模型（CREST）。该模型不仅重现了胚胎与子宫内膜相互作用的动态过程，还首次在体外观察到人类胚胎早期胎盘发育的关键事件。通过单细胞转录组学，研究揭示了胚胎植入微环境中复杂的细胞间通讯网络，并证实了AXL/PROS1信号轴在滋养层侵袭中的重要作用。这项工作突破了长期限制人类早期胚胎发育研究的瓶颈，为深入理解着床失败、复发性流产、子痫前期（preeclampsia）等妊娠相关疾病的病因提供了强大的实验平台。未来，利用患者特异性细胞构建子宫内膜模型并与其胚胎或iPSC来源的类囊胚共培养，有望实现个性化不孕症治疗策略的开发和药物筛选，最终提高辅助生殖技术的成功率。
