北航新闻网2月27日电（通讯员 杨贤达）在哺乳动物胚胎的第二次细胞命运决定过程中，内细胞团（ICM）会分离成空间上不同的上胚层（EPI）和原始内胚层（PrE）。然而，驱动这种模式形成的机制一直未被完全阐明。这一困扰学界半个多世纪的难题近日被破解。该研究通过实验与计算模拟相结合，首次揭示囊胚腔的力学振荡通过调控细胞接触波动和集体流动，驱动上胚层前体细胞（pEPI）与原始内胚层前体细胞（pPrE）的空间分离，为理解胚胎发育的生物物理调控机制提供了全新视角。

北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物力学与力学生物学教育部重点实验室、北京生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授/杜婧教授/姚杰副教授团队，在国际知名期刊《Cell Reports》上发表了题为“囊腔振荡驱动哺乳动物早期胚胎模式形成”的重要研究成果。樊瑜波教授和杜婧教授为该文的共同通讯作者，北京航空航天大学博士生郭峥、姚杰副教授和中国科学院力学研究所郑旭副研究员为本文的共同第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。中科院动物所的李磊教授、北京化工大学的冯越教授、中科院力学所关东石研究员、李龙副研究员在本研究中做出了重要贡献。

科研团队通过一系列创新实验方法，深入探究了囊胚腔振荡对胚胎模式形成的影响。他们发现，在囊胚发育的中期阶段，囊胚腔的周期性振荡对于pPrEs向ICM-腔体界面运动至关重要（图1）。

图1 囊胚中期pPrEs向ICM-腔体界面运动伴随着强烈的周期性胚胎振荡

通过生物和力学实验技术相结合操控囊胚腔振荡和扩张，科研团队观察到，抑制腔振荡会导致pEPIs和pPrEs的空间分离延迟（图2），而增强腔振荡则可以加速pEPIs和pPrEs的空间分离（图3）。

图2 pEPIs和pPrEs的空间分离需要囊胚腔的强烈周期性振荡

图3 增强囊胚腔振荡促进了pEPIs和pPrEs的空间分离

此外，研究还揭示了囊胚腔振荡促进细胞分离的生物力学机制。囊胚腔内的物理振荡促进了ICM细胞间的接触波动和汇聚流动，这种动态的细胞行为有助于推动两种细胞类型的分离。科研团队通过数值模拟和实验验证相结合的方法，进一步证实了囊胚腔振荡在驱动胚胎模式形成中的核心作用（图4）。

图4 囊胚腔振荡通过促进ICM细胞间接触波动和细胞流来驱动EPI/PrE分离

科研团队进而又探究了PrE是如何变成单层的上皮化过程，这主要是由晚期囊胚持续扩张所主导的，而腔振荡在晚期囊胚PrE上皮化的过程中不再起主导作用，力学机制会随着胚胎发育时空特征调控细胞的模式形成过程。

图5 晚期囊胚PrE上皮化需要囊胚腔的持续扩张

最后，该研究还探讨了囊胚腔力学特征对ICM细胞基因表达的影响。实验结果显示，囊胚腔压力和振荡共同促进了pPrE中PDGFRα的表达和YAP蛋白的核积累，这种基因表达的调节对于细胞命运决定可能发挥着关键作用（图6）。

图6 囊胚腔的压力与振荡促进pPrEs中PDGFRα表达和YAP核积累

综上所述，如图7所示，本研究的发现揭示了一种确保细胞分离和胚胎模式形成的稳健机制，这种由生物体整体几何特征和机械行为驱动的细胞分选模式可能非常保守且相当稳定，揭示了一个保证生命体最初发育鲁棒性（robustness）的普遍机制。这项研究不仅为理解早期哺乳动物胚胎发育中的模式形成机制提供了新的视角，也为未来研究胚胎发育中的物理和生物力学因素开辟了新的方向。同时，对于指导人造组织的构建以及临床医学应用也具有重要的意义。

图7 腔振荡驱动早期哺乳动物胚胎模式形成

该研究得到了中国国家自然科学基金（12222201, 82273500, 12332019, U20A20390, 118278037, 32171274, 12272388, 12232019），中国国家重点研发计划（2017YFA0506500, 2016YFC1102203, 2016YFC1101100），CAST青年人才托举工程项目（YESS 2015QNRC001），中科院战略优先研究计划（XDB0620102），中央大学基础研究基金（ZG140S1971）和中国科学院青年创新促进基金会的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.115342

（审核：李德玉）

编辑：贾爱平