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为解决早期哺乳动物胚胎中 EPI/PrE 前体空间分离机制不明的问题，北京航空航天大学的研究人员开展囊胚腔振荡对胚胎模式形成影响的研究，发现其驱动 EPI/PrE 分离等。该研究对理解胚胎发育意义重大，值得科研读者一读。
在神奇的生命科学领域，胚胎发育一直是科学家们极为关注的研究对象。在早期小鼠胚胎发育过程中，细胞命运的抉择至关重要，就像一场精心编排的 “生命之舞”。从 8 - 16 细胞阶段开始，第一个细胞命运抉择出现，形成了环绕着多能性内细胞团（ICM）的滋养外胚层（TE） 。大约在 32 细胞阶段，由 TE 细胞分泌的高渗液驱动，在 ICM 和 TE 的界面形成了囊胚腔。而随着囊胚的进一步发育，ICM 细胞会进一步分化为上胚层（EPI）和原始内胚层（PrE） 。EPI 会发育成胎儿和胚胎外中胚层，PrE 则会形成一层独特的上皮组织，将 EPI 与囊胚腔隔开，并参与卵黄囊的形成。
在囊胚发育的初始阶段（胚胎发育第 3.25 - 3.75 天），EPI 前体（pEPIs）和 PrE 前体（pPrEs）在 ICM 内呈现出一种类似 “盐和胡椒” 的混合分布状态。之后，ICM 细胞开始发生分离，最终 PrE 位于 ICM - 囊胚腔界面，EPI 则定位在 ICM 内部。这种空间上的分离伴随着它们的谱系特化，在早期囊胚（约 E3.5）时，根据 pEPIs 中 NANOG 的表达和 pPrEs 中 GATA6 的表达，就能够识别出这两种细胞谱系的祖细胞。到了中囊胚（E3.75）阶段，单个 ICM 细胞会随机地特异性表达 PDGFRα 或 NANOG 。虽然 FGF / ERK 信号通路在囊胚发育过程中对 EPI / PrE 命运的决定有一定作用，但关于 pEPIs 和 pPrEs 在囊胚中空间分离的机制，在过去的半个多世纪里一直是一个未解之谜。
为了解开这个谜团，北京航空航天大学的研究人员在《Cell Reports》期刊上发表了一篇名为 “Cavity oscillation drives pattern formation in early mammalian embryos” 的论文。他们通过一系列实验研究发现，囊胚腔的自发机械振荡为 EPI / PrE 的空间分离提供了驱动力，这种振荡促进了细胞间接触的波动，诱导了两种细胞向相反方向移动，从而实现了细胞的分离。这一发现对于理解早期哺乳动物胚胎发育过程中细胞的运动和分化机制具有重要意义。
研究人员在这项研究中用到了几个关键技术方法：通过延时成像技术，对胚胎发育过程进行实时观察，追踪 pPrEs 的运动轨迹；利用粒子图像测速（PIV）分析，评估 ICM 内的整体速度场，了解细胞的运动状态；运用原子力显微镜（AFM）对囊胚腔施加循环压缩，模拟囊胚腔的振荡，研究其对细胞分离的影响；还采用了数值模拟的方法，基于亚细胞元件模型，对胚胎发育过程进行建模分析。
下面我们来详细看看研究人员都有哪些重要发现：
- pPrEs 向 ICM - 囊胚腔界面的运动与中囊胚期强周期性囊胚腔振荡相关：研究人员利用 PrE 特异性报告基因（PdgfraH2B - GFP / + ）胚胎，对 pPrEs 的运动进行了长达 30 小时的延时成像。他们发现，pPrEs 的运动过程可分为三个阶段：在最初的 10 小时内，没有明显的定向运动；10 小时（约 E3.75 阶段）后，pPrEs 开始逐渐向 ICM - 囊胚腔界面靠近；24 小时（约 E4.0 阶段）后，其运动速率逐渐减慢。有趣的是，囊胚腔直径的变化也呈现出三个阶段：起初持续扩张，10 小时后扩张速度减缓并开始出现强烈的周期性振荡，24 小时后直径再次增加，振荡减弱。而且，每次囊胚腔收缩时，pPrEs 都会明显地向 ICM - 囊胚腔界面移动。通过 PIV 分析发现，囊胚腔振荡时，ICM 细胞从静态（固态）转变为动态（液态） ，这表明 pPrEs 的运动与囊胚腔的强周期性振荡之间可能存在调控关系123。
- pEPIs 和 pPrEs 的空间分离需要中囊胚腔的强周期性振荡：研究人员发现，当通过破坏 TE 细胞的有丝分裂来抑制囊胚腔振荡时，EPI / PrE 的分离会受到显著抑制。他们用荧光标记的鬼笔环肽（Cy3 - PEG - aphidicolin）处理 E3.75 的 PdgfraH2B - GFP / + 胚胎，这种物质能够阻止 TE 细胞进入 S 期，从而抑制囊胚腔振荡。结果发现，处理后的胚胎中，囊胚腔振荡频率和 ICM 扰动都明显降低，EPI / PrE 的分离也受到了抑制。此外，降低囊胚腔压力（如使用紧密连接阻断剂 CPE 或高渗培养基）同样会抑制囊胚腔振荡，进而抑制 pPrEs 向 ICM - 囊胚腔界面的运动和 EPI / PrE 的分离。而当恢复囊胚腔振荡（如将胚胎从高渗培养基转移到正常培养基）时，pPrEs 又能够重新向 ICM - 囊胚腔界面移动并实现分层，这进一步证明了囊胚腔振荡对于 EPI / PrE 分离的重要性456。
- 增强囊胚腔振荡可加速中囊胚期 pEPIs 和 pPrEs 的空间分离：既然抑制囊胚腔振荡会阻碍 EPI / PrE 的分离，那么增强振荡会有怎样的效果呢？研究人员通过用低渗培养基（170 mOsm）处理 E3.5 胚胎（此时囊胚腔尚未开始振荡）或使用 Na? / H?交换激活剂（溶血磷脂酸，LPA） ，成功促进了囊胚腔振荡。结果发现，处理后的胚胎中，ICM 扰动增强，pEPIs 和 pPrEs 的空间分离也得到了显著促进。此外，他们还利用 AFM 对囊胚腔施加循环压缩，模拟囊胚腔振荡，发现压缩后的胚胎中，pPrEs 向 ICM - 囊胚腔界面的运动更加明显，且这种促进作用呈剂量依赖性，进一步证明了囊胚腔振荡能够驱动 EPI / PrE 的分离789。
- 囊胚腔振荡通过促进 ICM 细胞间的接触波动和收敛细胞流来驱动 EPI / PrE 的分离：在囊胚腔内，ICM 细胞的密度比体外培养的 ICM 聚集体更高，细胞间的邻居交换也更弱，这表明体内的 ICM 聚集体处于更受限的状态，细胞分离所需的重排受到抑制。研究人员通过数值模拟发现，囊胚腔的振荡能够增加细胞间接触的波动，打破细胞间接触的局部平衡，促进细胞的运动和分离。实验也证实，抑制囊胚腔振荡会显著抑制相邻细胞间细胞膜接触长度的波动和新的及收缩的细胞间接触的数量。此外，囊胚腔振荡的不对称性（快速收缩和缓慢扩张）对于细胞分离至关重要，在振荡的收缩阶段，细胞会以更高的速度向 ICM - 囊胚腔界面收敛运动，最终导致 pEPIs 和 pPrEs 向相反方向移动101112。
- 晚期囊胚中囊胚腔的扩张对 PrE 上皮化至关重要：在晚期囊胚（E4.0 - E4.5） ，pPrEs 会在 ICM - 囊胚腔界面形成单层上皮。研究人员发现，在 pPrEs 形成单层上皮之前，会出现一个短暂的中间状态，此时 pPrEs 呈现出 “倒金字塔” 形状。在这个阶段，囊胚腔的振荡减弱，而快速扩张恢复。通过对不同处理的胚胎进行研究发现，抑制囊胚腔的扩张和振荡（如使用高渗培养基或 NHE - 3 抑制剂 S3226 处理）会阻碍 pPrEs 的上皮化，而单纯抑制囊胚腔振荡（如使用 aphidicolin 处理）对 pPrEs 的上皮化没有显著影响。数值模拟也表明，只有囊胚腔的扩张能够促进 pPrEs 形成更平坦、更分散的层，这说明囊胚腔扩张对于 PrE 上皮化具有重要的机械作用131415。
- pPrEs 中 PDGFRα 的表达和 YAP 的核积累对囊胚腔压力和振荡有反应：在 pEPIs 和 pPrEs 的空间分离过程中，PDGFRα 在 pPrEs 中的表达水平与囊胚腔振荡呈正相关。当囊胚腔振荡增强时，PDGFRα 的表达增加；当振荡被抑制时，表达减少。同时，YAP（一种参与多种发育过程的保守机械传感器）的核质比在 pEPIs 和 pPrEs 中都会随着囊胚的发育而增加，尤其是在 E3.75 之后。抑制囊胚腔振荡会降低 YAP 的核质比，而增强振荡则会使其升高。这表明囊胚腔压力和振荡都能够促进 YAP 的核积累161718。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：囊胚腔的振荡在早期哺乳动物胚胎发育过程中起着至关重要的作用。它不仅能够驱动 EPI / PrE 的空间分离，还对 PrE 的上皮化以及基因表达和 YAP 核积累有重要影响。这一发现揭示了组织尺度的机械振荡在调节细胞行为（如细胞分离和基因表达）方面的关键作用，为理解哺乳动物胚胎的正常模式形成提供了新的视角。然而，该研究也存在一定的局限性，比如在许多实验处理中，很难完全分离囊胚腔振荡和压力的影响，而且大多数干预措施是药理学方法，可能会引入潜在的未知脱靶效应。尽管如此，这项研究依然为胚胎发育领域的研究开辟了新的道路，未来的研究可以在此基础上进一步深入探索胚胎发育过程中机械力与细胞命运决定之间的复杂关系，有望为生殖医学和再生医学的发展提供更坚实的理论基础。
