利用全能细胞衍生的类囊胚探索衰老对着床和早期胚胎发育的影响

学术背景

随着现代社会中女性生育年龄的推迟，高龄孕妇（Advanced Maternal Age, AMA）的生育问题日益突出。研究表明，高龄女性的胚胎着床率和妊娠率显著下降，但其背后的机制尚不明确。着床是胚胎存活和发育的关键过程，涉及胚胎与子宫内膜的复杂交互作用。然而，由于缺乏合适的研究模型和伦理限制，科学家们对这一过程的了解有限。小鼠模型因其与人类基因表达谱和着床调控通路的相似性，成为研究人类着床的重要工具。近年来，科学家们开发了类囊胚（blastoids）模型，这类模型在形态、细胞谱系分配和转录组特征上与自然囊胚相似，为研究早期胚胎发育和着床提供了新的视角。

然而，现有的类囊胚模型在构建效率、细胞谱系定位和发育潜力方面存在局限，无法完全模拟自然囊胚的发育过程。因此，开发一种具有更强发育潜力的类囊胚模型，对于准确模拟早期胚胎发育和着床过程具有重要意义。本研究旨在通过利用全能性细胞（totipotent blastomere-like cells, TBLCs）构建类囊胚模型，探索衰老对着床能力的影响，并揭示高龄女性胚胎着床失败的潜在分子机制。

论文来源

本论文由Yuxin Luo、Chenrui An、Ke Zhong等研究者共同完成，研究团队来自北京大学第三医院、广州医科大学第三附属医院等多个机构。论文于2024年2月24日在线发表于《Journal of Advanced Research》，题目为《Exploring the impacts of senescence on implantation and early embryonic development using totipotent cell-derived blastoids》。该研究得到了中国国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

研究工作流程

1. TBLCs的诱导与鉴定

研究者首先通过抑制剪接体的方法，将小鼠多能干细胞（mouse pluripotent stem cells, mPSCs）诱导为全能性细胞（TBLCs）。这些TBLCs在转录组特征上类似于2细胞和4细胞期的胚胎细胞，但与多能干细胞有明显差异。通过定量PCR（qRT-PCR）和免疫荧光染色，研究者验证了TBLCs高表达全能性基因（如Zscan4），而多能基因的表达水平较低。此外，TBLCs表现出与全能细胞相似的增殖能力，但在长期培养中生长速度较慢。

2. 类囊胚的构建与表征

研究者利用TBLCs构建了类囊胚（TB-blastoids），并通过优化三维培养系统，添加了抑制Hippo通路的溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid, LPA）。在培养过程中，类囊胚逐渐形成了典型的囊胚样结构，包含三种细胞谱系：内细胞团（ICM）、滋养外胚层（TE）和原始内胚层（PE）。免疫荧光染色显示，类囊胚的细胞谱系分配与自然囊胚相似。单细胞RNA测序（scRNA-seq）进一步证实了类囊胚在转录组特征上与自然囊胚高度相似。

3. 衰老对类囊胚发育的影响

为了模拟高龄女性胚胎的衰老特征，研究者用氧化应激诱导剂过氧化氢（H2O2）处理TBLCs，建立了衰老相关的类囊胚模型。通过免疫荧光染色和qRT-PCR，研究者发现衰老TBLCs的细胞增殖能力下降，并表现出典型的衰老特征，如衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性增加。随后，研究者利用衰老TBLCs构建了衰老类囊胚，并发现其发育潜力显著降低，表现为着床率下降和胚胎样结构的退化。

4. 类囊胚的体内外发育潜力评估

研究者在体外培养了类囊胚，并观察到其能够形成类似着床后胚胎的结构。此外，研究者将类囊胚移植到假孕小鼠子宫中，发现其能够成功着床并诱导蜕膜化（decidualization）。然而，衰老类囊胚的着床率和发育潜力显著低于正常类囊胚，这与高龄女性胚胎着床失败的现象一致。

5. 基因表达与疾病关联分析

通过对衰老类囊胚和正常类囊胚的转录组数据进行比较，研究者发现衰老类囊胚中与衰老和凋亡相关的基因表达上调，而与多能性和氧化磷酸化相关的基因表达下调。此外，研究者还通过基因-疾病关联分析，鉴定出与不孕症、卵巢功能衰竭和妊娠并发症相关的一系列基因，这些基因可能在高龄女性胚胎着床失败中发挥重要作用。

研究结果

1. TBLCs的诱导与鉴定：研究者成功诱导了TBLCs，并验证了其全能性特征。TBLCs在转录组特征上与早期胚胎细胞相似，但与多能干细胞有明显差异。

2. 类囊胚的构建与表征：TBLCs成功构建了类囊胚，其形态和细胞谱系分配与自然囊胚高度相似。单细胞RNA测序进一步证实了类囊胚在转录组特征上与自然囊胚的一致性。

3. 衰老对类囊胚发育的影响：氧化应激诱导的衰老TBLCs构建的类囊胚表现出显著的发育潜力下降，表现为着床率降低和胚胎样结构的退化。

4. 类囊胚的体内外发育潜力评估：类囊胚在体外培养和体内移植实验中表现出与自然囊胚相似的发育潜力，但衰老类囊胚的发育潜力显著降低。

5. 基因表达与疾病关联分析：衰老类囊胚的转录组数据揭示了与衰老和凋亡相关的基因表达上调，以及与不孕症和妊娠并发症相关的基因表达变化。

结论与意义

本研究成功构建了一种基于全能性细胞的类囊胚模型（TB-blastoids），其在形态、细胞谱系和转录组特征上与自然囊胚高度相似。通过模拟衰老过程，研究者揭示了衰老对胚胎着床和早期发育的负面影响，并鉴定出一系列与高龄女性胚胎着床失败相关的基因。这些发现为探索高龄女性生育问题的机制提供了新的研究模型，并为改善高龄女性的妊娠结局提供了潜在的干预靶点。

研究亮点

1. 新型类囊胚模型：本研究首次利用全能性细胞构建了类囊胚模型，其在发育潜力和转录组特征上优于现有模型。

2. 衰老机制的探索：通过氧化应激诱导衰老TBLCs，研究者成功模拟了高龄女性胚胎的衰老特征，并揭示了衰老对胚胎发育的负面影响。

3. 基因-疾病关联分析：研究者通过基因-疾病关联分析，鉴定出与不孕症和妊娠并发症相关的一系列基因，为改善高龄女性的生育健康提供了新的研究方向。

其他有价值的信息

本研究的类囊胚模型为未来研究胚胎早期发育和着床提供了重要工具，特别是探索高龄女性生育问题的机制。此外，本研究还为开发针对高龄女性生育问题的治疗策略提供了潜在靶点。