《Nature Communications》：3D biomimetic niche modulates embryo development in vitro
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本研究针对现有胚胎体外培养模型难以模拟子宫复杂物理微环境的问题，开发了一种具有蜕膜基质特性的三维水凝胶培养系统。研究人员发现，该体系能支持小鼠胚胎发育至早期器官发生阶段（E8.5样阶段），并首次揭示应力松弛通过促进滋养层细胞黏着斑（FA）形成调控胚胎-基质相互作用，同时证实胚胎通过分泌MMP2/MMP9降解基质纤维网络创造生长空间。该研究为理解物理微环境调控胚胎发育机制提供了新范式。
生命最初的旅程是如何在母体子宫内悄然展开的？这个充满神秘色彩的过程，尤其是着床后的胚胎发育阶段，由于技术限制长期以来一直是发育生物学的"黑箱"。传统胚胎体外培养体系存在显著局限：二维培养环境无法模拟子宫的三维物理微环境，导致胚胎发育阻滞和滋养外胚层异常等问题。随着研究深入，科学家们逐渐认识到，除了生化信号外，基质的物理特性——如硬度、黏弹性、纤维网络结构等——对胚胎发育同样至关重要。然而，这些物理因素如何精确调控胚胎-子宫相互作用，仍是未解之谜。
针对这一挑战，中国科学院动物研究所周琪团队与顾奇团队在《Nature Communications》发表最新研究，成功构建了一种模拟蜕膜细胞外基质（ECM）特性的三维水凝胶培养系统，为揭秘胚胎发育的物理调控机制提供了创新平台。
研究团队采用多学科交叉技术策略，主要包括：原子力显微镜（AFM）检测胚胎着床位点蜕膜组织及水凝胶的力学性能；扫描电镜（SEM）观察基质纤维网络结构动态变化；单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析体外培养（IVC）胚胎与自然发育胚胎的转录组差异；实时钙成像技术记录心脏样结构的搏动功能；通过转基因酶（TG）和PEG-NHS交联调控水凝胶应力松弛特性；利用特异性抑制剂（GM6001、FI 14、blebbistatin）干预机械转导通路。实验所用小鼠胚胎均来自SPF级ICR品系妊娠第3.5天（E3.5）胚胎。
构建仿蜕膜ECM的三维培养系统
研究团队首先通过力学特性筛选，发现40%浓度Matrigel（40-MG）的杨氏模量（104.6 Pa）和孔径结构与E5.5蜕膜最为接近。在此基础上构建的三维培养系统显著提升了胚胎发育效率：IVC第3天双腔结构（上胚层腔和胚外外胚层腔）形成率达69.7%，第4天卵柱结构形成率达59.8%，第8-10天心跳样结构形成率达23.6%，显著优于既往报道的静态培养系统。
免疫荧光染色证实，IVC胚胎表达OCT4、CDX2、SOX2、EOMES等关键发育标志物，其表达模式与自然胚胎高度一致。特别值得注意的是，IVC第9天胚胎中检测到心肌标志物MHC、NKX2.5、MLC、GATA4的表达，并观察到第一心场（FHF）和第二心场（SHF）的形成，表明心脏发育进程与自然E8.5胚胎相似。
应力松弛调控胚胎体外发育
通过转基因酶（40-MGT）和PEG-NHS（40-MGN）交联调控水凝胶的应力松弛特性后，研究发现尽管杨氏模量无显著变化，但应力松弛速率减慢显著抑制了胚胎发育：40-MGT组IVC第3天发育率降至31.5%，且无法形成正常的OCT4+细胞玫瑰花结结构。进一步采用不同分子量藻酸盐体系验证发现，低分子量藻酸盐+40-MG（LA+40-MG）因具有更快的应力松弛特性，其胚胎发育效率显著高于高分子量组（HA+40-MG）。
应力松弛促进滋养层FA形成
机制研究表明，快速应力松弛（40-MG条件）能促进滋养层细胞（TE）伪足形成和整合素聚集，进而增强黏着斑（FA）的形成。相反，慢速应力松弛（40-MGT/40-MGN）条件下，磷酸化肌球蛋白轻链（pMLC）主要定位于细胞核，而非细胞周边，导致FA组装受阻。转录组分析显示，40-MG组TE细胞中细胞迁移、黏附和肌动蛋白骨架重组等相关通路显著富集。引人注目的是，在慢松弛基质中加入RGD肽能部分挽救发育缺陷，证实黏附配体与力学特性的协同作用。
基质纤维网络的空间调控
对E5.5-E7.5脱细胞蜕膜组织的观察发现，随着发育进行，基质孔径逐渐增大，纤维直径增粗。类似地，胚胎周围的40-MG纤维网络也随时间推移变得疏松。当添加MMP抑制剂GM6001后，不仅延缓了纤维网络重构，还显著降低了胚胎发育率（IVC第4天降至34.2%）。进一步实验证实，FAK磷酸化调控MMP2/MMP9表达，而FAK抑制剂FI 14处理使胚胎发育率骤降至10.8%。相反，在50-MG中添加胶原酶IV人为扩大基质孔径，能显著提升胚胎发育率至50.11%，证明空间拓朴结构的适度调控对胚胎发育至关重要。
功能验证与转录组比对
通过钙成像技术记录到IVC第9天胚胎心脏样结构的自发搏动（约2次/秒），且对β-肾上腺素能激动剂异丙肾上腺素呈现正性频率反应，证明其具备早期心脏功能特征。单细胞转录组分析显示，IVC第9天胚胎与自然E8.5胚胎在19种细胞类型组成和基因表达谱上高度相似，但仍存在代谢相关基因（GPX3、GSTM1上调和HSPH1、PPA1下调）的差异，提示体外培养胚胎可能更依赖培养基营养供应。
本研究开创性地揭示了物理微环境在胚胎发育中的核心作用：应力松弛特性通过调控FA形成影响胚胎-基质机械对话，而胚胎主动分泌的MMP通过重塑纤维网络为自身发育创造空间。这一"主动改造微环境"的新范式不仅深化了对生命起源物理规律的认识，也为生殖医学、再生医学领域提供了重要的技术平台。尽管当前系统尚无法完全替代胎盘功能，但其成功构建标志着向实现全周期体外胚胎培养迈出了关键一步，为最终破解人类早期发育奥秘奠定了坚实基础。
