模拟牛输卵管的类器官通过细胞外囊泡传递信号介导胚胎-母体界面

研究问题：实施一种三维（3D）类器官模型系统，其能稳定模拟输卵管的一些关键功能、结构和生物学复杂性，是否为产生对体外早期胚胎发育产生影响的细胞外囊泡（EV）提供有利的顶端环境？ 摘要回答：我们的研究结果表明，在体外，上皮细胞能稳定地繁殖高度分化的输卵管类器官，包含纤毛细胞和分泌细胞网络，能够产生类似体内的、具有货物特异性的输卵管细胞外囊泡（oEVs），并具有在热应激（HS）条件下提高体外生产胚胎质量的能力。 已知信息：由于技术限制以及我们对母体-胚胎细胞和分子对话的科学知识存在重大空白，在体外重现胚胎植入前发育过程中持续的母体贡献是一项重大的科学挑战。由于缺乏合适的模型系统，且无法在体内直接观察这一过程，胚胎发育的这一早期阶段常被描述为特别难以捉摸且充满谜团的发育阶段。尽管如此，oEVs最近已被确定为介导胚胎-输卵管相互作用中生物信息传递的关键参与者，对体外胚胎的早期发育有益。 研究设计、规模、持续时间：在2年期间，从完好的生殖道（n=10；每次重复来自两头牛的混合）中切除的卵巢，包含来自评估的II期、黄体期生殖道的完整对侧和同侧输卵管，进行处理以生成输卵管类器官。之后，将来自3D类器官和体内收集的输卵管液（OF）的富集oEVs与牛推定合子从第1天到第3天共培养，并持续到囊胚阶段以进行进一步评估。 参与者/材料、设置、方法：通过光学显微镜、基因表达、免疫荧光和3D重建以及组织学二维（2D）横截面表征类器官。使用透射电子显微镜、纳米颗粒跟踪分析和蛋白质印迹法表征来自条件化类器官培养基和OF的富集oEVs。在建立稳定的oEV产生系统后，将牛合子分为五组[38.5°C对照、41°C对照、41°C N-EVs（源自热中性条件下培养的类器官的oEVs）、41°C S-EVs（源自热应激条件下培养的类器官的oEVs）、41°C Ovi-EVs（从黄体期OF收集的oEVs）]，并培养至囊胚阶段。在体外培养第1天至第3天期间，存在或不存在oEVs的情况下，记录卵裂和囊胚发育率。我们还对滋养外胚层（CDX2）和内细胞团（SOX2）多能性标志蛋白进行了共免疫染色，检测了全局DNA损伤（phospho-γH2A.X），并对单个胚胎中的候选胚胎质量基因CDX2、SOX2、POU5F1、NANOG以及关键应激调节基因BAX、BCL-2、PRDX1、SOD1、HSP70和HSP90进行了实时定量PCR分析。此外，通过oEVs对发育中胚胎的表观遗传景观的影响，分析了其对H3K9ac、竞争性标记H3K27ac和H3K27me3的扰动，以及与单个胚胎中标志性DNA甲基转移酶（DNMT1、DNMT3A、DNMT3B）相对表达的关系。 主要结果和偶然性的作用：在这里，我们采用3D培养系统生成输卵管类器官，以模拟母体环境对HS的反应，并产生类似体内的oEVs，用于增强体外生产胚胎在应激条件下的存活和活力。有趣的是，我们的发现还有效地证明了首次尝试揭示从3D输卵管类器官、2D输卵管上皮细胞和体内收集的OF中持续存在的oEVs所包装的miRNA的相似性。该方法旨在提供一种稳健的产生生理相关oEVs的机制替代方案，以改进目前传统上绕过输卵管的体外培养系统。该模型系统还创新性地增强了我们对体内EV介导的母体-胚胎通讯的了解。 大规模数据：不适用。 局限性，注意事项：这是一项体外研究，其中类器官培养的条件可能不能完全反映体内环境中输卵管的细胞外基质和复杂的血管化。此外，考虑到本研究中使用的3D类器官的极性，富集的oEVs群体主要代表基底外侧分泌，而不是体内传统的顶端分泌。 研究结果的更广泛意义：这些结果提供了通过3D输卵管类器官分泌的oEVs在体外重现胚胎-母体纳米通讯的首次尝试。因此，我们的模型为将调节体外胚胎发育的输卵管线索纳入培养系统奠定了基础，提供了一个动态系统来进一步研究母体环境可能有助于胚胎发育早期成功的机制，并为改进当前体外胚胎生产技术提供了宝贵的见解。 研究资助/利益冲突：本研究由美国农业部通过授予N.G.M.的NIFA-AFRI博士前奖学金（拨款号2023-67011-40511）以及科罗拉多州立大学研究委员会、研究副校长办公室的基金资助。作者证明没有可能影响本研究进行或结果的相关利益冲突。 关键词：类器官、细胞外囊泡、输卵管、热应激、miRNA 这对患者意味着什么？在子宫的自然环境之外，胚胎发育的前7天强调了胚胎自我组织的本能能力与支持它的精确控制的实验室环境之间的精细平衡，尽管目前的标准保留了固有的胚胎-母体通讯的巨大限速特征。通过创建输卵管的三维模型，已知通过先前的研究可产生生物相关的母体信号，以细胞外囊泡的形式，我们成功地在实验室中完全体外重现了一些在体内自然支持早期胚胎发育的信号分子。在我们的研究中，这些oEVs帮助胚胎应对热应激，并提高了它们的整体发育质量。对患者而言，这项研究是朝着开发更接近自然生殖环境的IVF培养条件迈出的一步。如果未来的研究，包括使用人类来源的组织的研究，显示出类似的益处，将这些生理线索整合到标准胚胎培养条件中可能有一天会提高胚胎的韧性、发育和临床IVF结果。