人类胚胎在子宫内膜着床是妊娠的关键事件，标志着妊娠的开始，失败率极高。由于难以观察着床期的胚胎，且缺乏合适的模型系统，人们对该阶段的认识十分有限。

Matteo A Molè等人建立了一种体外模型，重现了人类子宫内膜表层的管腔区、腺体区及基质区结构。

人类胚胎与类囊胚均能在该模型中成功着床，并呈现包括胎盘发育早期关键事件，为研究人类胚胎着床早期阶段提供了全新的研究途径。

文章介绍

题目：体外模拟人类胚胎着床

英文题目：Modeling human embryo implantation in vitro

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期刊：Cell

影响因子：42.1

PMID：41443192

发表日期：2025年12月

Part.01

研究背景

胚胎着床是妊娠的关键起始步骤，涉及胚胎与母体子宫内膜的相互作用。着床失败率高是限制体外受精成功率的关键因素，理解这些事件背后的生理过程是明确建立健康妊娠必要步骤的前提。

干细胞来源的类囊胚作为新兴的人类胚胎模型替代方案，为研究胚胎着床提供了可扩展性和可及性优势。类囊胚重现了胚胎发育的某些特征，但其模拟人类胚胎发生的准确程度以及与真实胚胎的分歧点仍未完全明晰。

由于这些障碍，人类胚胎在子宫内膜组织内着床后最早期的发育阶段仍难以在体外建模，限制了人们探索这一关键阶段细胞与分子机制的能力。

为突破这一瓶颈，本研究开发了细胞工程化容受期子宫内膜支架技术（CREST），该技术模拟了容受期人类子宫内膜浅层的上皮和基质区室，即接收着床胚胎的组织。

该模型支持人类胚胎和类囊胚的体外着床及着床后早期发育，使发育关键节点和早期胚胎-子宫内膜相互作用的可视化与表征成为可能。

Part.02

实验思路

首先通过工程化构建具备三维结构与激素响应性的CREST子宫内膜模型，解决了体外模拟人类胚胎植入微环境的关键技术瓶颈； 利用该模型成功支持了人类胚胎及类囊胚的完整植入与早期发育，并通过对比实验证实了子宫内膜细胞及其空间组织是驱动胚胎有序分化的核心要素； 最后通过功能丧失实验揭示了PROS1/AXL信号通路在调控滋养层侵入与发育中的关键作用。

整个研究从系统构建到机制挖掘，实现了对人类胚胎植入这一“黑箱”过程从观察到干预的跨越，为生殖医学研究提供了强大的体外平台和新的分子见解。

Part.03

关键结果

1. 人体子宫内膜细胞组织建模

首先从健康供体的子宫内膜中分离上皮细胞和基质细胞。基质层成纤维细胞直接扩增。上皮细胞以类器官形式培养扩增，该体系含有能分化为腔上皮细胞和腺体细胞的前体细胞。

将基质细胞封装在由右旋糖酐聚合物和环糊精交联剂组成的完整水凝胶中，并整合胶原蛋白I、III、VI和纤连蛋白，以增强细胞增殖能力并促进细胞伸展，形成有序、互联的成纤维样细胞网络，构建3D子宫内膜模型。

将子宫内膜类器官片段接种于含基质细胞的水凝胶表面进行培养，构建子宫内膜上皮层。类器官片段在4天内生长形成连续的SOX17阳性上皮单层。

随着培养进展，上皮细胞和基质细胞形成有序的多层组织结构。此外，体外支架的细胞结构和标志物表达与体内子宫内膜组织相似，具有连续的上皮表面和界限清晰的深层基质区室。上皮表面还出现了小空腔并形成开口，说明腺体状结构正在形成。

总体而言，利用子宫内膜细胞成功构建了能复现人类子宫内膜浅层关键解剖特征的体外模型（图1）。

图1 构建三维子宫内膜支架。分离基质与上皮细胞，将基质嵌入含胶原i/iii/vi及纤连蛋白的水凝胶形成下层支架，再接种上皮类器官碎片，5天后形成连续sox17+腔面及腺体凹陷，厚度约180μm，硬度接近体内内膜。

2. CREST对激素刺激具有响应性，并表现出组织容受性特征

人类胚胎植入发生在月经周期分泌中期的一个短暂窗口期。在此期间，雌激素和孕激素发出的激素信号使子宫组织处于容受状态。

为模拟这一过程，该研究对子宫内膜支架的基质区和上皮区进行了4天的雌激素刺激，随后使用雌激素、孕激素和环磷酸腺苷联合刺激8天，以诱导其向分泌中期分化。

激素刺激后，基质细胞形态由伸长状转变为立方状，并显著提升催乳素和胰岛素样生长因子结合蛋白1分泌水平呈现蜕膜化特征。

上皮细胞同时发生重塑：增殖期出现多纤毛细胞，分泌期纤毛细胞减少。相反，分泌期的FOXA2阳性细胞比例比增殖期高出5倍，并形成特征性的胞饮突结构。

活细胞成像显示，雌激素刺激促使腺体开口加深并形成管样结构；孕激素则进一步诱导上皮层下形成分支状腺体网络。伴随形态成熟，模型分泌的糖链蛋白水平持续上升，实现腺体分泌物向周围组织的主动释放。

综上，该CREST模型成功再现了子宫内膜对激素刺激的组织形态与功能响应，关键特征是复现了体内植入窗口期的容受性状态（图2）。

图2 子宫内膜支架对激素刺激有反应，并获得子宫内膜组织的接受性特征。雌二醇4天使基质伸长、上皮出现纤毛；再续用雌二醇+孕酮+camp 8天，基质变为立方并分泌prl、igfbp1，上皮foxa2+分泌细胞增多，腺体加深并分泌糖蛋白paep，模拟植入窗。

3. 人类胚胎在CREST模型中的植入

接着测试了CREST支持人类胚胎着床的能力。为此，将受精第5天的人类囊胚移植到含有激素刺激子宫内膜支架的transwell小室中。

在接下来的24小时（5–6天后）内，囊胚从透明带孵化并扩大囊胚腔。到约6-7天时，胚胎与上皮表面发生初步接触（定位）。到约7天时，形成稳固黏附。8天完成植入（囊胚腔收缩呈穹顶状）。10天完全侵入上皮下层。植入成功率达60%，证实CREST支持人类胚胎体外植入。

接着，利用CREST分析胚胎-子宫内膜界面分泌的蛋白质。植入CREST后，hCG分泌增加，表明养层细胞室发育。人类胎盘乳原（hPL）在第7至11天水平稳定，第12-14天增加。人类妊娠相关血浆蛋白A（PAPP-A）和胎盘生长因子（PlGF）水平在10 天时显著上升，随后逐渐上升至14 天。

这些结果共同揭示了着床后蛋白质分泌的时间和动态，并凸显了推动早期着床发育的复杂胚胎-子宫内膜相互作用（图3）。

图3人体胚胎体外着床。5天囊胚转入激素预处理CREST，24h孵化，6–7天贴附，8天植入并塌陷成穹顶状，10天侵入基质；60%胚胎完成植入。分泌型hcg、hpl、papp-a、plgf随日龄递增，提示胎盘内分泌启动。

4. 子宫内膜细胞促进胚胎有序发育

进一步研究空间结构和子宫内膜细胞信号如何促进胚胎发育。

为此，比较了三种培养体系下的胚胎发育情况：（1）2D胚胎附着模型，仅支持胚胎在表面扩展;（2）无细胞的3D水凝胶模型：允许胚胎在3D空间中扩展和侵入；（3）3D CREST系统，直接评估子宫内膜细胞对胚胎发育的影响。

为排除胚胎异质性的干扰，首先以类囊胚为参照模型，评估不同培养条件下的植入成功率与胚胎存活率。CREST模型在类囊胚和人类胚胎中均实现最高附着与持续发育率，显著优于无细胞3D体系。

接着测试了胚球植入动力学和发育特征是否能转化为同样三种条件下的胚胎。CREST中的胚胎相较于3D病症表现出更高的附着率和持续发育率。CREST相较于2D条件，在12天时促进有组织胚胚发育的附着胚胎比例更高。

基于CREST对上胚层组织的增强作用，进一步探究了其对下胚层和滋养层发育的影响。

将胚胎培养至受精后第14天并检测各谱系标志物发现，2D培养的胚胎缺乏空间组织性，主要呈现为扁平的OCT4阳性细胞团；而仅含3D水凝胶的培养条件虽能形成有序的上胚层形态，但下胚层和滋养层发育极弱；CREST中的胚胎展现出最高程度的空间组织性，三大谱系呈现清晰的空间区隔。

这些发现表明，子宫内膜细胞能以更高效率促进胚胎和类囊胚的附着及胚胎植入后发育，并改善初级谱系的空间组织。这表明CREST中的子宫内膜细胞为体外胚胎生长提供了支持性的物理和生化环境（图4）。

图4 体外胚胎培养方法比较。CREST中胚胎/类囊胚附着率80%与57%，远高于2d或3d无内膜组；且crests促进oct4+上胚层有序成球、sox17+下胚层及gata3+滋养层空间分离，2d组则扁平无序，3d组虽有序但谱系不全。

5. CREST模型支持胚胎植入后谱系的发育与有序构建

在CREST模型中，胚胎植入后呈现高度有序的发育进程：第10天形成具有明确区域特征的卵黄囊结构，第12-14天逐步建立双胚层盘及羊膜腔/卵黄囊腔系统，上胚层扩张达到体内相当发育阶段水平。

尤为突出的是，模型支持滋养层的完整谱系分化与空间构建——细胞滋养层形成柱状结构并延伸为早期滋养层壳，合体滋养层组织成板状结构并发育出腔隙网络，同时绒毛外滋养层向基质迁移。

这些特征共同模拟了人类胚胎植入后早期多谱系协同分化、胎盘初级绒毛形成及母胎界面建立的关键发育事件，首次在体外实现了对胚胎-子宫内膜互作与胎盘早期形态发生的系统重建（图5）。

图5 人类胚胎的早期着床后发育。14天胚胎精细结构。可见卵黄囊、羊膜腔及双胚盘；滋养层大量增殖，出现ck7+细胞柱、tp63+初级绒毛、hla-g+ evt浸润基质，并形成含腔的合胞体（stb）与早期细胞壳，重现cs5c–cs6胎盘形态。

6.人类胚胎着床微环境的分子特征分析

为研究早期胚胎-子宫内膜界面的分子特征，在受精14天后的子宫内膜支架中分离出17个胚胎着床位点，并进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。然后将该数据集与体外培养的人类胚胎以及子宫内膜活检的复合数据集整合。

鉴定了胚体的细胞亚群，包括细胞滋养层（CTB）、合体滋养层（STB）、绒毛外滋养层（EVT）、下胚层/内脏内胚层（Hypo）、卵黄囊内胚层（YS）、胚外中胚层（ExMes）和羊膜上皮（Am）。

尽管在约一半的体外着床位点中显微镜检测到大量胚胎盘外胚层细胞，但在转录组数据集中明确识别这些细胞仍具有挑战，这可能与单细胞解离时的敏感性和细胞丢失有关。筛选出一组可能为胚胎盘细胞，表达与上皮化表胚细胞相关的基因（胚胎盘）。

通过将这些数据与其他人类和非人灵长类胚胎数据集进行比较，进一步验证了细胞谱系。在子宫内膜细胞中，该数据集还包含间质细胞和上皮细胞。这些结果共同解析了体外胚胎植入生隙中受精14天时的细胞类型，并明确了其转录谱（图6）。

图6 胚胎着床微环境的单细胞转录分析。整合14天植入位15911个细胞，鉴定出ctb、stb、evt、上胚盘、下胚、卵黄囊、羊膜等胚胎谱系及内膜基质、腔面、腺体、纤毛上皮；与体内早期妊娠及灵长类数据高度吻合，确认模型细胞身份。

7. 胚胎和子宫内膜在着床过程中的相互作用

利用转录组数据集预测胚胎-子宫内膜界面内不同细胞类型间的配体-受体相互作用。

对滋养层与子宫内膜细胞进行的CellPhoneDB67分析揭示了大量细胞特异性的配体-受体对，富集了酪氨酸激酶及其配体，以及调控细胞迁移与分化的因子。

将受精第14天胚胎着床位点的数据集与妊娠6-14孕周母-胎界面的数据集进行比较。结果发现，许多在妊娠后期才用于定义滋养层细胞类型的基因谱，在受精第14天数据中已呈现出谱系限制性表达，表明滋养层谱系的主要身份在原肠胚形成之前即已建立。

进一步发现，共有84对配体-受体相互作用（“共享”）贯穿整个早期妊娠，参与蜕膜化及母-胎免疫耐受以及滋养层发育。

此外，还鉴定出185对配体-受体相互作用仅存在于植入初期（“第14天相关”），和73对相互作用仅在第一孕期出现的（“第一孕期相关”）。

这些发现揭示了从早期植入（受精第14天）到晚期胎盘形成（妊娠6-14孕周）过程中，胚胎-子宫内膜交互作用建立的有序性与动态变化。

为了测试胚胎与子宫内膜之间的相互作用，重点关注EVT与基质细胞之间已识别的PROS1/AXL相互作用。AXL是一种质膜受体酪氨酸激酶，应用抑制剂R428处理着床胚胎导致间质内滋养层细胞生长出现明显缺陷。

研究结果证明，R428通过抑制AXL信号通路特异性干扰体外早期胚胎发育中的滋养层外展过程，从而揭示了孕体与子宫内膜间分子对话的关键机制（图7）。

图7 识别胚胎-子宫内膜在着床微环境中的相互作用。cellphonedb发现evt-stb与内膜间84对信号，其中evt分泌pros1→基质axl。axl抑制剂r428降低akt磷酸化，导致滋养层外生面积与长度显著缩减，而上胚层发育不受明显影响，证实该轴为植入必需。

结论

该研究成功构建了一个能模拟人类胚胎植入的体外系统，揭示了子宫内膜微环境驱动胚胎发育的组织原则和关键分子对话，为理解着床失败、妊娠并发症及开发新型生殖干预策略奠定了坚实基础。

然而，该模型未重现子宫内膜的全部复杂性。未来可能会纳入更多细胞类型，更全面地显示子宫内膜环境的复杂性。设计更厚的间质室可能支持子宫内膜腺体进一步发育，并促进更深胚胎侵入的建模。该模型无法直接适应高通量检测或筛选。

尽管用R428处理植入胚胎和胚芽细胞会导致营养层细胞生长缺陷，但定义TAM家族中酪氨酸激酶在早期人类发育中的作用仍需进一步探讨。

参考文献

Molè MA, Elderkin S, Zorzan I, et al. Modeling human embryo implantation in vitro. Cell. 2025 Dec 23:S0092-8674(25)01232-2.

发布于：江苏省