本文介绍了一种方法,用于解冻玻璃化保存的人类囊胚,将其在体外培养至着床时期,消化为单细胞,并收集早期滋养层细胞以供进一步研究。
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本文介绍了一种方法,用于解冻玻璃化保存的人类囊胚,将其在体外培养至着床时期,消化为单细胞,并收集早期滋养层细胞以供进一步研究。
人类着床是指胚泡与子宫表面上皮细胞相互靠近并黏附,随后侵入母体蜕膜的过程,这一关键但神秘的生物学事件由于技术和伦理限制,历史上一直难以研究。着床过程始于滋养外胚层发育为早期滋养层细胞,并进一步分化为不同的滋养层亚群。早期滋养层细胞的异常分化可能导致着床失败、胎盘病理、胎儿畸形以及流产。近年来,已有方法被开发出来,可在无母体组织的情况下将人类胚胎体外培养至受精后第13天,这一时间段涵盖了人类着床期。这使得研究人员能够在排除母体干扰并避免体内研究早期胚胎分化事件固有障碍的前提下,探索人类着床过程,并重现这一关键时期滋养层分化的动态变化。为了在着床期间对不同滋养层亚群进行表征,我们采用了现有的二维(2D)延时培养方法,并建立了一种通过酶消化分离不同类型滋养层细胞以用于后续检测的实验流程。在二维条件下培养的胚胎形态相对扁平,可能在模拟体内三维(3D)胚胎结构方面存在不足。然而,延时培养过程中观察到的形态学特征及基因表达变化表明,滋养层分化过程受影响较小。包括细胞滋养层、合体滋养层和迁移性滋养层在内的不同滋养层亚群,可根据其大小、位置和出现时间加以区分,并用于进一步的表征或实验。对这些早期滋养层细胞的研究可能有助于理解人类着床机制、治疗常见胎盘疾病,并降低妊娠丢失的发生率。
人类着床过程及早期胎盘的形成历来难以研究,很大程度上仍不明确,因为在此阶段妊娠尚无法临床检测,人类组织样本无法获取。动物模型也不足以替代,因为人类胎盘形成具有其他真兽类哺乳动物所不具备的独特特征。例如,人类胎盘会深入侵入蜕膜,部分滋养层细胞可到达子宫肌层的内三分之一区域,同时另一些细胞则重塑子宫螺旋动脉。即便是与我们亲缘关系最近的非人灵长类动物,在胎盘形态以及滋养层细胞与母体蜕膜组织相互作用方面也存在差异1,2,3。在20世纪80年代之前,体外获取着床前人类胚胎是不可能的;直到临床人类体外受精(IVF)成为治疗不孕症的常规手段后,才得以实现4。如今,人类囊胚可在体外培养,用于筛选更具活力的胚胎进行移植,并实现安全的遗传学检测。随着胚胎培养技术的进步以及体外受精的广泛应用,产生了大量患者治疗周期结束后剩余的囊胚。在获得患者知情同意、通过机构审查委员会(IRB)批准并符合特定限制条件的前提下,这些囊胚可用于科学研究。它们已成为极为宝贵的研究资源,曾被用于建立人类胚胎干细胞系5,研究内细胞团向胚胎干细胞转变的过程6,7,以及最近成功地将人类囊胚体外培养至第13天(D13),以模拟人类着床过程8,9。通过应用近年来发展的单细胞组学技术,研究者得以接触这些着床阶段的人类胚胎组织,前所未有地揭示调控这一高度动态的细胞分化过程的分子机制10,11,12,13。
本文描述了我们近期发表的研究中所采用的方法,该研究旨在表征人类着床过程中滋养层细胞分化的动态过程12。本实验方案包括玻璃化冷冻囊胚的复苏、体外受精后长达第12天(D12)的胚胎延时培养、将胚胎通过酶消化法解离为单细胞,以及为后续检测收集细胞(图1)。该延时培养体系可在无母体输入的情况下支持围着床期人类胚胎的发育,并重现了滋养层细胞的分化过程,其结果与多年前基于组织学标本所观察到的现象一致14,15,16,17。在着床过程中,滋养层细胞群体至少包含两种细胞类型:具有类似前体细胞特征的单核细胞——细胞滋养层细胞(cytotrophoblast, CTB),以及终末分化、多核的合体滋养层细胞(syncytiotrophoblast, STB)。经胰蛋白酶消化后,CTB表现为体积较小、形态呈圆形的细胞,其形态学特征与其他细胞谱系难以区分(图2A,左图)。通过单细胞RNA测序揭示的不同转录组特征,可实现CTB与其他细胞谱系(如上胚层和原始内胚层)的有效分离。合体滋养层细胞则表现为形状不规则、体积显著大于其他细胞类型的结构,主要位于胚胎的外周区域,易于识别(图2A,中图;图2B,左图)。迁移性滋养层细胞(migratory trophoblast cells, MTB)是延时培养过程中发现的另一类滋养层亚谱系,其形态表现为似乎正从胚胎主体向外迁移(图2A,右图;图2B,右图)。尽管MTB表达许多与绒毛外滋养层细胞(extra villous trophoblast, EVT)相同的标志物,但由于在这一极早期发育阶段胎盘中的绒毛结构尚未形成,因此不应将其称为EVT。
实验上,我们能够在胚胎于第8天(D8)、第10天(D10)和第12天(D12)被消化为单细胞后,收集到易于区分的小型CTB和大型STB(图2A,B)。迁移型滋养层细胞(MTB)出现在胚胎延时培养的较晚阶段,可在第12天全胚胎酶消化前进行收集(图2A,B)。通过在单细胞分析前根据表型分离这三种滋养层亚群,我们能够鉴定每种细胞类型的特异性转录组标志物,并明确其各自的生物学功能。细胞滋养层细胞(CTB)具有高度增殖性,作为前体细胞为STB和MTB分化谱系提供来源10,11,12,13。合体滋养层细胞(STB)参与胎盘激素的产生以维持妊娠,可能还介导胚胎向子宫内膜的植入10,11,12,13。迁移型滋养层细胞则表现出更强的侵袭性和迁移性表型,可能负责对子宫内膜进行更深入且更广泛的定植10,11,12,13。在定义了每种细胞类型的转录组特征后,聚类分析还揭示出另外两个细胞亚群,它们在形态上与CTB无法区分,但其转录组分别具有STB和MTB的特征12。这些处于中间阶段的细胞很可能正处于从CTB向MTB或STB谱系分化的进程中;若仅将胚胎盲目消化并单纯依据转录组进行细胞分离,则这些细胞将被遗漏。
本文所述方案采用二维(2D)培养系统,可能并非支持三维(3D)结构发育的最佳选择,这一点已由近期一篇描述新开发的3D培养系统的出版物所指出13。然而,在该2D系统中,早期滋养层细胞的分化情况与体内样本的观察结果一致14,15,16,17。本方案也可轻松适用于近期报道的3D培养系统13,仅需极少修改。所有步骤均使用手持显微操作移液器配合 commercially available disposable tips,或使用连接橡胶管、滤器和吹管嘴的细拉玻璃毛细管制成的口吸移液器完成。
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所有人类胚胎均已获得捐赠者同意,可用于科学研究。扩展人类胚胎培养的方案已获得西方机构审查委员会(研究编号:1179872)批准,并遵循国际指南。任何对人类胚胎的使用,均须由采用本方案的研究机构相关的适当伦理与管理机构进行审查。
1. 准备
2. 复温玻璃化冷冻的D5人类胚胎
注意:其他生产商可能根据其自身的玻璃化冷冻技术采用略有不同的操作流程。若适用,请参阅生产商提供的使用说明。
3. 复温胚胎的回收
4. 透明带去除
5. 囊胚延长培养
6. 可选的用尽培养基收集
7. 免疫荧光的可选固定步骤
8. 使用胰蛋白酶进行单细胞消化
注意:单细胞消化使用新鲜(未固定)胚胎。
9. 单细胞挑选与样品收集
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健康的胚胎在延长培养过程中表现出持续增殖(图2B)。异常胚胎则从其外缘开始回缩并逐渐解体(图2C)。根据我们的经验,约75%的胚胎在培养48小时时已贴附于纤连蛋白包被培养皿的底部,至72小时时贴附率上升至约90%。胚胎贴附的成功率在很大程度上受囊胚初始质量的影响。若胚胎在72小时时仍未贴附,则很可能无法存活。
受精后第8天(延长培养的第3天),胚胎中的大多数细胞均为表达滋养层标志物GATA3的细胞滋养层细胞(CTB)(图3A)。细胞滋养层细胞已在胚胎周边开始分化为多核的合体滋养层细胞(STB)(图2B,左图,虚线所示)。这些合体滋养层细胞呈片状结构,并对人绒毛膜促性腺激素β亚单位(hCGB)呈阳性染色(图3A,中图)。在D8至D10期间,胚胎迅速生长,提示此阶段细胞滋养层细胞快速增殖。到...
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建立人类胚胎植入后培养的实验方案,使科学家能够探索发育过程中此前未被研究过的关键时期8,9。在此,我们采用延时培养系统对人类胚胎进行体外培养,并在绒毛胎盘形成之前研究早期滋养层细胞的分化过程。本文所述方法使我们能够获取不同的滋养层(TB)亚群细胞,用于后续的单细胞分析。本研究为科学界深入了解人类发育这一关键而神秘的阶段提供了契机,并可能为流产或子痫前期等胎盘相关疾病的治疗开辟新的途径,同时为人类早期发育机制提供新的见解。
本方案要求在胚胎复温、透明带去除和铺板过程中熟练快速地操作胚胎,以尽量减少胚胎在长期培养前受到的应激。在换液过程中尽量缩短暴露时间,以减少培养基蒸发,从而避免培养基渗透压升高,这是至关重要的。在更换培养基和移动培养皿时,注意采用规范的无菌操作技术,有助于最大限度地降低污染风险。当胚胎贴壁后,使用时应固定培养皿,以尽量减少机械扰动,这一点也十分重要。受到应激的胚胎会开始回缩其合胞体突起,并启动凋亡。此外,必须避免培养基的弯月面接触胚胎表面,同时尽量减...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们谨向科罗拉多生殖医学中心(CCRM)众多慷慨捐赠胚胎用于研究的患者表示感谢。同时,我们还要感谢Karen Maruniak以及CCRM临床实验室在hCG样本处理方面的协助,感谢Sue McCormick及其CCRM临床IVF胚胎学团队在胚胎收集、保存、追踪和捐赠方面提供的帮助。本研究由CCRM提供内部资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| NORM JECT 鲁尔锁式无菌注射器 | VWR | 53548-019 | 每包 100 支 |
| 3130 或 3110 Forma Series II 水套式 CO2 培养箱 | Thermo Fisher Scientific | 13-998-078 | |
| 35 mm Corning Primaria 组织培养皿 | VWR | 62406-038 | 每箱 500 个 |
| 5 mL 带卡扣盖离心管 | VWR | 60819-295 | 每包 25 个 |
| 60 mm Corning Primaria 组织培养皿 | VWR | 25382-687 | 每箱 200 个 |
| 6 孔板 | Agtech Inc. | D18 | 每包 1、10 或 50 个 |
| 酸性 Tyrode 溶液 | Millipore Sigma | T1788 | 100 mL |
| Biotix 1250 µL 移液器吸头 | VWR | 76322-156 | 每包 960 个 |
| Blast,囊胚培养基 | Origio | 83060010 | 10 mL |
| 稀释液 | Kitazato | VT802 | 1 × 4 mL |
| 一次性硼硅酸盐玻璃巴斯德移液管 | Thermo Fisher Scientific | 1367820D | 5.75 英寸(146 mm);每箱 720 支 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Millipore Sigma | D8537 | |
| 胚胎培养石蜡油 OvOil | Vitrolife | 10029 | 100 mL |
| Eppendorf PCR 管 0.2 mL | VWR | 47730-598 | 每包 1,000 个 |
| Eppendorf PCR 管 0.5 mL | VWR | 89130-980 | 每箱 500 个 |
| 人血浆来源纤连蛋白,液体,0.1% 溶液 | Millipore Sigma | F0895 | 1 mg |
| Gilson 1 mL 移液器 | Thermo Fisher Scientific | F123602G | 1 个移液器 200–1000 µL |
| Gilson 20 µL 移液器 | Thermo Fisher Scientific | F123602G | 1 个移液器 2–20 µL |
| Gilson 200 µL 移液器 | Thermo Fisher Scientific | F123602G | 1 个移液器 50–200 µL |
| G-MOPS 操作培养基 | Vitrolife | 10129 | 125 mL |
| 操作培养基 | Origio | 83100060 | 60 mL |
| Ibidi 8 孔腔室盖玻片 | Ibidi | 80826 | 每盒 15 片 |
| IVC1/IVC2 | Cell Guidance Systems | M11-25/ M12-25 | 每份 5 mL,共 5 份 |
| K System T47 加热板 | Cooper Surgical | 23054 | |
| MilliporeSigma Millex 带 Durapore PVDF 膜无菌注射式滤器 | Fisher Scientific | SLGVR33RS | 每包 50 个 |
| 吹嘴 | IVF Store | MP-001-Y | 100 个 |
| Oosafe 中心井培养皿 | Oosafe | OOPW-CW05-1 | 每箱 500 个 |
| Quinn's Advantage SPS | Origio | ART-3010 | 12 × 12 mL |
| 吹嘴用橡胶乳胶管 | IVF Store | IVFS-NRL-B-5 | 5 英尺 |
| 体视显微镜 | Nikon | SMZ1270 | |
| 剥离吸头 | Cooper Surgical | MXL3-275 | 每包 20 个,275 µm |
| 解冻液 | Kitazato | VT802 | 2 × 4 mL |
| Stripper 微量移液器 | Cooper Surgical | MXL3-STR | |
| TrypLE Express 酶(1X),无酚红 | Thermo Fisher Scientific | 12604013 | 1 × 100 mL |
| Tween20 | Millipore Sigma | P1379-25ML | 25 mL 瓶装 |
| VWR 1–20 µL 移液器吸头 | VWR | 76322-134 | 每包 960 个 |
| VWR 1–200 µL 移液器吸头 | VWR | 89174-526 | 每包 960 个 |
| 洗涤液 | Kitazato | VT802 | 1 × 4 mL |
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