▎药明康德内容团队编辑

从生命的起点——受精卵出发，胚胎细胞在不断的分裂中向着完整的生命迈进。受精后的第一周，胚胎进入由大约100~200枚细胞构成的囊胚阶段；第二周，囊胚开始着床，胚胎发育进入下一个阶段。

从受精卵到囊胚的早期胚胎发育阶段，对我们来说仍然处于一个充满了未知的“黑箱”状态。在此期间，不同关键过程的出现时间与相互作用、分裂过程中出现的错误等，都对人类的发育与疾病有着重大影响，而对这些过程的理解都离不开实时成像与观测。

基于已有的技术，科学家们已经能利用荧光蛋白对活细胞进入标记和追踪观测，但荧光蛋白的应用有一个前提——需要事先对细胞进行基因改造，插入相应的基因片段。但显然，对人类胚胎的基因操作受到严格的伦理限制。因此，科学界对早期胚胎发育的理解主要源自对小鼠胚胎的研究，以及对已经死亡的人类胚胎样本的研究。

能否在不进行基因编辑的前提下，给目标细胞结构加上荧光标签，从而实现人类胚胎的实时观测？在一项发表于《细胞》的新研究中，一支联合研究团队做到了这一点！他们结合使用荧光染料和激光扫描共聚焦显微镜这两种常见的实验室技术，实时捕获了迄今最详细的人类胚胎发育图像。

“这是首次真正以细胞分辨率实现早期人类胚胎的成像，”领导这项研究的宾夕法尼亚大学细胞生物学教授Nicolas Plachta说，“我们可以看清单个细胞，以及它们在形成着床前胚胎时是如何相互作用的。”

▲最新研究实现了对人类囊胚的活细胞成像

为了实现对人类着床前胚胎的非侵入式活细胞成像，研究团队首先利用小鼠胚胎检验了多种具有膜渗透性的荧光染料。从中，他们找到了两种能在整个早期胚胎发育阶段，准确标记特定细胞结构的染料：荧光染料SPY650-DNA可以标记基因组DNA；另一种染料SPY555-actin标记的是F-肌动蛋白（构成细胞骨架的元件）。这两种染料的加入不会影响小鼠的胚胎发育过程及产下后代的速率；借助活细胞成像，研究者能在显微镜下实时捕捉到胚胎发育过程的重要阶段。

▲研究团队利用两种荧光染料，实现了小鼠胚胎的活细胞成像

由此，研究团队获得了研究人类早期胚胎的工具。接下来，他们利用这一染色策略，对由体外受精诊所捐献的早期人类胚胎样本进行了研究。这些胚胎来自受精后1~3天的卵裂期，尚未形成任何组织与器官。使用两种荧光染料后，研究团队使用强大的激光扫描共聚焦显微镜，在发育前40个小时内观测到了多个活胚胎的动态变化。无论是细胞分裂、染色体分离过程，还是该过程中产生的错误与缺陷，研究团队都能尽收眼底。

▲人类囊胚形成的动态过程

新策略的应用也为我们带来了新的认知。我们知道，囊胚细胞在进行有丝分裂时，一旦染色体分离出现错误，可以造成染色体额外增加或缺失。这种非整倍体现象会导致遗传性疾病或妊娠失败。

现在，最新研究通过对人类胚胎细胞的观察发现：除了上述过程，人类胚胎中的非整倍体现象还另有其他的成因。在囊胚不断膨胀变大的过程中，胚胎的外层细胞（滋养外胚层）会因遭受的机械压力而变形。在间期进行DNA复制时，挤压应力使得细胞核DNA的一部分如同“出芽”（budding）一般被挤了出来，成为游离的细胞质DNA。经过随后的有丝分裂，这些遭遇了DNA脱落（DNA shedding）的细胞就可能成为非整倍体。

▲人类胚胎发育过程中导致DNA丢失的两种机制

因此，这项研究指出：细胞核出芽与DNA脱落，是导致人类胚胎发育异常的一项全新机制。

▲在人类胚胎的滋养外胚层中，实时成像展示了细胞核出芽（nuclear budding）和DNA脱落的过程

此外，研究团队还将对人类早期胚胎的观察结果，与小鼠进行了对比。小鼠胚胎是科学家研究胚胎发育过程的重要模型，这项对比研究发现，人类与小鼠的早期胚胎发育存在一些关键的差异。

例如，胚胎发育的致密化（compaction）阶段涉及细胞形态的改变。研究发现，人类胚胎的致密化是从12-细胞期开始的，而小鼠则是始于8-细胞期。此外，小鼠的致密化与细胞极化、胚胎内外分化过程具有关联，因此同步性更强、该过程的速度也更快。相反，人类胚胎的致密化与极化、胚胎内外分化过程尚未有存在关联的明确证据。这可能解释了两者在卵裂期F-肌动蛋白分布的差异。

这些发生在早期胚胎阶段的细微差别，可能在后续发育过程中带来巨大差异。这样的发现也将提示人们，在利用小鼠模型研究着床前胚胎时，需要考虑这些差异的影响。

▲研究示意图

研究团队希望，在最新研究的基础上，下一步可以使用低强度激光显微镜对人类胚胎进行更长时间的成像，以及进一步寻找、应用可以标记其他细胞结构（例如细胞膜）的染料。

对于这项技术的应用潜力，Plachta教授表示：“将来，我们可以利用这种实时成像方法，在诊所中无创地跟踪胚胎。”而在体外受精时，该技术也将有助于在植入前帮助确定最具潜力的胚胎。

[1] Ana Domingo-Muelas et al., Human embryo live imaging reveals nuclear DNA shedding during blastocyst expansion and biopsy. Cell (2023), DOI: 10.1016/j.cell.2023.06.003

[2] Developing human embryos imaged at highest-ever resolution. Retrieved July 6th, 2023 from