信号非依赖性促进人类类囊胚形成

《Cell Research》：Signaling-independent boosting of human blastoid formation

　　

理解人类囊胚腔形成机制仍具挑战性，因现有模型复杂性高。在近期发表于《Cell Research》的研究中，Alsolami等人引入了一种简化的仅含DMSO的类囊胚诱导系统，源自人类原始多能干细胞（nPSCs），揭示V-ATP酶依赖性溶酶体酸化是类囊胚腔形成的关键驱动因素。研究人员指出，人类类囊胚是研究早期人类发育着床前阶段的相关体外模型系统^1,2,3,4，通过从人类nPSCs体外模拟囊胚形成^5,6,7，可直接研究着床相关事件，包括滋养外胚层（TE）特化、上胚层-下胚层分离及胚胎-母体相互作用的早期步骤。随着类囊胚研究进展，主要问题已不再是如何生成这些结构，而是如何准确高效地组织上胚层、下胚层和TE谱系并达到着床能力状态，标志着从结构生成向生物学意义建模的转变⁸。然而，当前方案高度依赖信号抑制剂和生长因子的复杂组合^1,2,3,4，使进展复杂化，虽提高了从人类nPSCs生成类囊胚结构的效率，却难以分离特定信号贡献并限制机制解析，凸显了对更简单、易处理系统的需求。

**论文解读：信号非依赖性促进人类类囊胚形成**

**研究背景与问题**
人类早期胚胎发育是生殖生物学核心领域，囊胚形成（cavitation）是着床前关键步骤，涉及滋养外胚层（TE）极化、上皮屏障建立及液体运输以形成囊胚腔。现有体外模型如人类类囊胚（blastoids）由原始多能干细胞（nPSCs）诱导生成，可模拟着床前后事件，包括TE特化、上胚层-下胚层分离及胚胎-母体相互作用。然而，当前类囊胚生成方案（如PDA83或PALLY协议）依赖复杂信号抑制剂和生长因子组合（如MEK/ERK抑制剂、TGF抑制剂等），不仅增加操作难度，还难以解析特定信号贡献，限制机制研究。此外，异常内细胞团（ICM）定位和低效着床能力是常见问题。因此，需要开发更简化、可操作的诱导系统，以揭示囊胚腔形成的基本细胞机制，并提升模型生物学相关性。

**研究内容与结论**
研究人员在《Cell Research》发表论文，展示了一种仅需二甲基亚砜（DMSO）的诱导策略，从人类nPSCs高效生成类囊胚，无需多因子信号组合。该策略不仅简化了流程，还揭示了V-ATP酶依赖性溶酶体酸化是囊胚腔形成的核心驱动因素，同时发现DMSO通过调节膜流动性降低机械阻力，促进腔体扩张。与PALLY协议相比，DMSO诱导的类囊胚表现出更正确的极TE细胞定位（以CCR7表达定义）、改善的ICM定位、更高的体外附着效率、滋养层外生长及人绒毛膜促性腺激素分泌，并增强上胚层向羊膜样身份（含ISL1⁺细胞）的转变。该研究的重要意义在于：首次证明无需外源信号通路刺激即可驱动类囊胚形成，为高通量遗传和化学筛选提供平台；揭示溶酶体酸化在囊胚腔形成中的保守作用（在人和小鼠胚胎中验证）；并通过简化系统提升着床前后发育建模能力，为研究胚胎-母体相互作用奠定基础。

**关键技术与方法**
主要关键技术包括：1）**DMSO诱导系统**：在N2B27基础培养基中，对人类nPSCs进行短暂3% DMSO暴露，分别在2D和3D条件下诱导TE分化及类囊胚形成；2）**转录组谱分析**：通过RNA测序鉴定DMSO处理后溶酶体及内吞途径富集，并发现V-ATP酶复合物亚基表达上调；3）**活细胞成像与透射电镜**：动态观察基底外侧膜泡形成、融合为微腔的过程，以及溶酶体在腔位点的募集；4）**遗传与药理学扰动**：通过V-ATP酶抑制剂（如巴佛洛霉素A1）处理、敲低或过表达V-ATP酶亚基，验证其对溶酶体酸化和腔形成的因果作用；5）**生物物理测量**：使用Laurdan成像和原子力显微镜测量膜流动性和细胞刚度变化。此外，研究涉及小鼠和人类胚胎体外培养（来源未注明）。

**研究结果**
**DMSO诱导TE分化与类囊胚形成**
在2D条件下，通过DMSO单独处理，人类nPSCs表现出囊泡形成形态、丧失原始多能性标志、获得滋养层标志物及染色质状态向TE程序转变，证明DMSO足以诱导TE分化。3D重建分析显示诱导结构由极化单层TE上皮组成，具备支持腔形成的功能运输能力。在3D条件下，短暂3% DMSO暴露驱动形成含TE、上胚层和原始内胚层样结构的类囊胚，转录组特征验证其身份。与PALLY协议相比，DMSO诱导的类囊胚具有更高频率的正确定位极TE细胞（CCR7表达）和改善的ICM定位，解决异常ICM定位问题。

**功能评估**
体外附着实验显示，DMSO衍生类囊胚在附着效率、滋养层外生长和人绒毛膜促性腺激素分泌方面优于PALLY对照，证明增强的滋养层功能。上胚层向羊膜样身份转变（ISL1⁺细胞出现和空间组织）也相对增强，表明该系统改进早期着床后发育建模能力。

**腔形成机制：溶酶体酸化驱动**
转录组分析揭示DMSO处理后溶酶体及内吞途径富集，V-ATP酶复合物亚基表达上调，提示溶酶体酸化驱动腔形成。活细胞成像显示基底外侧膜泡形成并融合为微腔，同时溶酶体被募集到这些位点。透射电镜证实内吞囊泡和含溶酶体物质的大液泡密集积累。遗传和药理学V-ATP酶抑制实验表明，抑制溶酶体酸化阻止腔形成，而敲低V-ATP酶亚基复现该表型，过表达可挽救。在人和小鼠胚胎中，V-ATP酶抑制同样破坏囊胚腔形成，证明溶酶体酸化在腔形成中的保守作用。

**生物物理贡献**
Laurdan成像和原子力显微镜测量显示，腔形成起始时膜流动性增加、细胞刚度降低，且与微腔形成紧密同步，反映早期胚胎中的机械转变。DMSO双重作用：激活溶酶体途径促进腔形成，同时降低机械阻力利于腔扩张。

**总结与讨论**
研究人员总结，DMSO仅诱导方案强调了起始细胞状态的重要性，以及人类原始多能性发现作为类囊胚生成基石的关键作用，可能解释为何仅通过悬浮培养人类nPSCs（含少量DMSO）即可实现类囊胚形成。与依赖复杂信号组合的常规方案不同，简化策略降低了系统扰动实验门槛，为高通量筛选TE形态发生和囊胚腔形成调节因子开辟道路。此外，DMSO诱导类囊胚的增强附着和着床前样特征，使其能与子宫内膜类器官共培养，研究胚胎-母体相互作用，包括附着动态和早期信号交换，为不孕和早期流产提供研究平台。尽管取得进展，一个关键问题仍是DMSO本身的作用方式：鉴于其多效性，是否直接指导发育程序或作为全局细胞状态修饰因子。明确这一区别对判断系统是否捕获内源性发育程序至关重要。

**研究结论翻译**
总之，研究人员开发了一种简化的仅含DMSO的类囊胚诱导系统，从人类原始多能干细胞出发，无需外源信号调控，揭示了V-ATP酶依赖性溶酶体酸化是囊胚腔形成的核心驱动因素，并发现DMSO通过调节膜流动性提供机械协助。该方案提升了类囊胚的功能质量，为早期胚胎发育机制研究和着床失败建模提供高效平台。