活細胞成像儀在胚胎發(fā)育研究中的應用

人類早期胚胎發(fā)育歷程
人類早期胚胎發(fā)育始于卵子受精，在此過程中形成了受精卵，受精卵隨后進入卵裂期，會依次形成2細胞、4細胞、8細胞，然后發(fā)育成桑椹胚，再進一步發(fā)育成囊胚。囊胚在子宮著床后進入原腸運動，依次形成原腸胚、神經(jīng)胚，并最終進入早期器官發(fā)生階段。

根據(jù)人類早期胚胎的形態(tài)結構特征，大致可將胚胎期前60天的發(fā)育過程劃分為23個不同的階段，被稱為卡內(nèi)基階段（Carnegie stage，CS）。在這一過程中，不同譜系祖細胞的命運受到嚴格調(diào)控來確保胚胎的正常發(fā)育。

類胚胎/胚胎模型
人類早期胚胎發(fā)育階段對于胎兒的健康出生至關重要。然而，由于倫理和技術的限制，人類早期胚胎發(fā)育的具體調(diào)控機制仍未完全解密。除了人類胚胎體外培養(yǎng)技術以外，以干細胞為基礎模擬人類真實胚胎結構的體外模型被成功構建，該模型被稱為“類胚胎/胚胎模型”。

通常胚胎模型可大致分為兩類：非整合型胚胎模型和整合型胚胎模型。這兩類最大的區(qū)別在于：整合型胚胎模型通常包含胚內(nèi)和胚外細胞類型，并具有發(fā)育成完整胎兒的潛力，而非整合型胚胎模型則不包含任何相關的胚外組織。

胚胎發(fā)育研究難點
異步性和異質性
胚胎模型發(fā)育并不同步，導致表型差異巨大。

數(shù)據(jù)有限
使用傳統(tǒng)顯微鏡獲得有限的圖片，而無法記錄完整胚胎發(fā)育過程。

工具的局限
傳統(tǒng)的圖像分析方法對于處理這些復雜、三維、低信噪比的生物圖像常常力不從心，需要大量繁瑣和主觀的人工操作。

細胞實驗流程圖

如何捕捉細胞稍縱即逝的“生命瞬間”？
活細胞成像技術，正是您解答動態(tài)生物學問題的關鍵所在！
活細胞成像儀，一臺安裝在培養(yǎng)箱的實時記錄細胞變化的顯微鏡，是一種綜合了顯微鏡技術、圖像處理技術和數(shù)據(jù)分析技術的先進科研工具，能夠長時間實時觀察和記錄活體細胞形態(tài)變化的生物學過程。

活細胞成像儀在胚胎發(fā)育研究中的優(yōu)勢：從靜態(tài)快照到動態(tài)電影

①動態(tài)記錄胚胎發(fā)育過程
在維持胚胎活性和正常發(fā)育的前提下，進行數(shù)小時甚至數(shù)天的無損、連續(xù)成像，完整記錄從受精卵到早期胚胎的每一個關鍵事件（如卵裂、囊胚形成等）。

②無侵入式觀察，保護胚胎狀態(tài)
可避免反復取出樣品導致溫度、CO2波動，減少對細胞的干擾。

③胚胎多維度信息獲取
獲取三維空間結構，還能生成動態(tài)發(fā)育圖譜，直觀展示細胞譜系追蹤、組織形態(tài)發(fā)生等過程。

④提升統(tǒng)計與實驗效率
每個胚胎都是自身的對照，大幅減少樣本數(shù)量差異，提高數(shù)據(jù)一致性和可重復性。

活細胞成像儀
在胚胎發(fā)育研究中的文獻案例
腫瘤易感基因101（TSG101）最初在成纖維細胞中被鑒定為抑癌基因，在早期發(fā)育階段，Tsg101的缺失會導致細胞周期缺陷、溶酶體內(nèi)結構異常和自噬空泡的積累，最終導致細胞的死亡。

在“Peripubertal requirement of Tsg101 in maintaining the integrity of membranous structures in mouse oocytes”這篇文章中，將Tsg101f/f小鼠與Zp3cre轉基因小鼠雜交，以研究Tsg101基因對卵母細胞的特異性作用。實驗老師通過實時活細胞成像分析系統(tǒng)監(jiān)測卵母細胞形態(tài)變化，后通過免疫熒光染色、q-PCR、透射電鏡等研究在Tsg101缺失的情況下導致卵母細胞死亡的原因。

研究人員從Tsg101f/f和Tsg101d/d小鼠身上收集了不同時期的卵母細胞并在體外進行了成熟過程觀察。對不同時間的卵母細胞進行分組后進行實時成像觀察，實驗老師使用JuLI™ Stage活細胞成像分析系統(tǒng)延時記錄，間隔1h拍攝一輪，共拍攝12h。通過圖片&視頻結果我們可以發(fā)現(xiàn)，處于 21-27 天的小鼠（I 組）和 28 天以上的小鼠的表型明顯不同。Ⅰ組 Tsg101d/d 小鼠約 10% 的卵母細胞出現(xiàn)異常，而Ⅱ組 Tsg101d/d 小鼠高達 80% 的卵母細胞在 12 h 前退化或萎縮。