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Nature:人造机器子宫!以色列科学家首次在人造子宫中培养哺乳动物胚胎

生物世界

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作者|王聪 来源|生物世界(ID:ibioworld)

如今,有关哺乳动物胚胎发育的许多信息要么观察自非哺乳动物(例如青蛙或斑马鱼等),要么来自解剖小鼠的静态胚胎图像的叠加。虽然早在1930年代之前就已经有了在子宫外培养早期胚胎的想法,但是基于这种想法的实一直没能取得实质性突破,得到的胚胎往往是异常的。

观察一个受精卵是如何附着到等待的子宫壁变成胚胎,并发育出神经系统、心脏、胃以及四肢等。自1930年代以来,近100年里,这一直是胚胎发育领域备受追捧的“圣杯”。

如今,以色列魏茨曼科学研究所的科学家们完成了这一壮举。

2021年3月17日,以色列魏茨曼科学研究所的 Jacob H. Hanna等人在 Nature 期刊在线发表了题为:Ex utero mouse embryogenesis from pre gastrulation to late organogenesis 的研究论文。

研究团队创建了一个人造机器子宫,并首次使用人造子宫培养了小鼠胚胎6天时间(达到小鼠整个妊娠期的三分之一),且胚胎在人造子宫培育过程中发育正常。

这项研究将为科研人员提供前所未有的工具,帮助了解基因编码的发育程序,提供有关出生缺陷和发育缺陷以及与胚胎植入有关缺陷的详细见解。

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为了创造出能培养胚胎的人造子宫,Jacob H. Hanna 团队耗费了7年时间,反复试验,微调,仔细检查。

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整个培养过程,分为两步,研究人员首先提取受精卵之后几天的小鼠胚胎,此时小鼠胚胎是一个大约250个干细胞组成的球,将这些胚胎放到实验室培养皿中的特殊生长培养基上,就像它们附着在子宫壁上一样。通过这一步骤,研究人员成功地复制了胚胎发育的第一阶段,胚胎开始形成三胚层结构。

两天之后,胚胎进入下一个发育阶段,开始从每个胚层发育形成器官。在第二步中,研究团队将胚胎放在小烧杯中的营养液中,将烧杯放在滚筒上,使溶液保持运动并不断混合。

这种不断地转动混合有助于保持胚胎的生长,因为这些胚胎在没有通过脐带连接母体获取营养的情况下,这种不断转动混合的方式能够让胚胎充分接触到营养物质,且防止胚胎附着到瓶壁上导致死亡。

除了仔细调节烧杯中的营养物质外,研究团队还反复实验中了解到,要密切控制气体氧气和二氧化碳,不仅要控制气体的数量和比例,还要控制气压。

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他们开发的这个人造子宫系统,小鼠胚胎能在其中正常生长6天时间,这是小鼠20天完整妊娠期的大约三分之一,此时,培养的小鼠胚胎已经可以明显看出身体结构和器官了。

这些阶段是胚胎发育中最神秘、最有趣的部分,通过这些实验,研究人员得以直观观察到胚胎的发育过程,并对其进行实验。

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为了检查在人造子宫中发育的胚胎是否正常,研究团队将其与在正常怀孕小鼠体内取出的小鼠胚胎进行对比,对比结果表明,人造子宫中生长的胚胎和正常怀孕发育的小鼠胚胎的发育和器官形成都几乎相同。

在后续实验中,研究团队在胚胎中插入了荧光基因,以标记正在生长的器官。这表明可以在此基础上对胚胎进行各种遗传和其他操作以研究胚胎发育。

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人造子宫(左)中发育与子宫(右)内发育对比

研究团队表示,他们的下一个目标是尝试跳过第一个步骤,即不从怀孕小鼠体内取出胚胎再培养,而是直接通过干细胞制成人工胚胎,直接在人造子宫中进行培养。

该研究提供了一个前所未有的工具,能够在体外培育并观察胚胎的发育过程,将大大加速发育生物学的研究速度,并减少对实验动物的需求。

除此之外,研究团队还希望通过这些研究最终解答人类胚胎发育的问题,例如为什么这么多女性无法受孕?为何胚胎植入窗口如此之短?干细胞在分化过程中是如何逐渐失去“干性”的?以及妊娠中的哪些状况可能会导致将来的发育障碍?

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03416-3

题为来自电影《黑客帝国》剧照

编者按:本文转载自微信公众号:生物世界(ID:ibioworld),作者:王聪


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