外子宫系统通过母胎信号通路精准模拟胚胎植入与滋养层侵袭

本研究针对胚胎植入机制研究的技术瓶颈，开发了一种基于气液界面培养的离体子宫系统（EXiM），成功以>90%效率重现小鼠胚胎植入全过程。该系统利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置，首次实现胚胎附着后滋养层侵袭与母体COX-2/PGE2-胚胎AKT1信号通路的动态解析，为辅助生殖中反复植入失败（RIF）提供了新型筛选平台和治疗靶点。

　　

胚胎植入是哺乳动物生殖过程中的关键限速步骤，但因其在体研究的不可及性，机制解析长期受限。尽管近年来基于干细胞的胚胎模型在体外重现了着床后发育，但缺乏子宫环境使其无法模拟真实的植入过程。临床数据显示辅助生殖技术（ART）中约50-60%的胚胎在植入阶段丢失，远高于着床后的流产率（15%），凸显了植入研究的迫切性。传统基因敲除小鼠模型存在胚胎致死等问题，而现有体外模型又难以整合子宫的复杂微环境。

为解决这一难题，大阪大学的研究团队在《Nature Communications》发表研究，通过创新性设计气液界面培养系统，将真实小鼠胚胎与子宫组织共培养，首次实现了植入全过程（附着、胚胎发育、滋养层侵袭）的离体外重现。该系统采用特制PDMS装置优化氧梯度，结合新开发的EXiM培养基（含30% KSR替代FBS），使植入效率突破90%，并保留子宫内膜腺体、免疫细胞、血管网络等关键组分。

关键技术包括：1）PDMS气液界面培养装置的原创设计；2）胚胎-子宫内膜共培养体系的建立；3）单细胞转录组（scRNA-seq）验证系统保真性；4）COX-2抑制剂和AKT激活的基因治疗干预；5）三维成像定量滋养层侵袭体积。实验使用B6D2F1/J小鼠的天然胚胎和子宫内膜组织。

研究结果
离体子宫系统高效诱导植入
通过优化PDMS厚度（750μm）和激素水平（3 pg/mL 17β-雌二醇+60 ng/mL孕酮），系统实现95.8%的胚胎附着率。三维成像显示仅壁滋养外胚层（mTE）特异性附着，伴随子宫内膜上皮细胞残留，模拟体内E4.5阶段特征。

离体子宫上的胚胎发育
移除PDMS顶盖后，85%胚胎在48小时形成类上胚层（EPI）/外胚层（ExE）结构，96小时出现更高级的胚胎形态。单细胞测序证实离体胚胎与体内E4.5胚胎具有相同的谱系分化模式。

子宫内膜单细胞图谱验证系统真实性
scRNA-seq显示离体子宫保留原位细胞群，包括COX-2（Ptgs2）富集的附着区基质细胞、Bmp2/Wnt4/Klf5阳性蜕膜细胞及先天淋巴细胞等。细胞互作分析揭示大量母胎信号交流。

组织学证实真实植入特征
三维免疫荧光显示子宫内膜保留FOXA2⁺腺体结构，植入区呈现典型的增殖-分化转换（PDS）模式。36小时可见滋养层突破上皮屏障，48小时形成核增大的初级滋养层巨细胞（pTGC）。

COX-2-AKT1轴调控植入的机制
离体系统重现了COX-2在植入区的特异性诱导。COX-2抑制剂Celecoxib使胚胎滞留率降至25%，侵袭体积减少60%。RNA-seq显示Celecoxib显著下调胚胎AKT通路，免疫荧光证实植入区pAKT减少。AAV1介导的AKT1（myr-AKT1）基因治疗可逆转Celecoxib导致的侵袭缺陷，体内实验证实该策略能改善子宫源性植入障碍。

结论与意义
该研究建立的离体子宫系统首次实现植入全过程的模块化解析，揭示COX-2/PGE₂-AKT1是调控滋养层侵袭的关键母胎对话轴。相比传统模型，其优势在于：1）整合血管、免疫等子宫微环境；2）支持动态观察植入过程；3）适用于高通量药物筛选。研究不仅为发育生物学提供新范式，更为反复植入失败（RIF）的精准干预提供靶点——通过胚胎AKT1激活补偿母体COX-2缺陷的治疗策略，有望突破当前ART的技术瓶颈。未来通过优化培养条件延长胚胎发育时长，该系统或将成为研究人类植入障碍的转化医学平台。