體外全胚胎培養技術 ( whole embryo culture, WEC) 是一種將動物的完整胚胎移植到體外進行培養的實驗技術。
Nicholas於1934年採用血漿作為培養基, 證明大鼠胚胎能夠在母體外培養成活 24~36h, 從而創立了該實驗方法。之後, 科學家們對培養基以及培養方法等條件不斷改善。20世紀 80年代, Brown制定了用於評價胚胎的生長和分化情況的評分系統, 作為評價胚胎發育程度的指標。 目前, WEC已經被廣泛用於胚胎發育、化合物的胚胎毒性和致畸性研究以及藥物的安全評價等 。能夠用於WEC 的胚胎材料來源廣泛, 魚類、兩棲類、鳥類、哺乳類胚胎均可用於實驗。採用上述動物胚胎進行的各種研究均已見文獻報道, 例如, 朱小山、端正花等應用斑馬魚胚胎分別研究了富勒烯和雙酚 A 的胚胎毒性; L i X Y 等應用蛙卵研究了1甲基 3 辛烷基咪唑啉酮溴化物對胚胎發育的影響; Alva rezl等應用雞胚胎研究了成纖維細胞生長因子 ( FGFs) 的神經誘導作用; Hansen JM 等採用兔胚胎與大鼠胚胎對比研究了谷胱甘肽和半胱氨酸在反應停致畸中的作用等。目前, 利用大鼠或小鼠器官形成期的胚胎通過旋轉培養方法進行化合物的致畸研究最為常見。
1.WEC 技術及其發展概況
1.1培養方法
全胚胎培養技術經歷了從靜態培養向旋轉培養發展的過程。20世紀 30 年代, Nicholas等建立了早期的體外靜態胚胎培養技術。以大鼠肝素化血清與大鼠14~15d的胚胎提取物混合作為培養基, 可使得大鼠胚胎在體外生長。然而, 胚胎生長的時間較短, 一般在培養的 24 h內生長, 而36h後胚胎生長速度即減慢。培養48h內正常生長的胚胎不到一半, 正常分化的胚胎只有3/4。
New等通過靜態培養法, 以血漿凝塊作為培養基, 並在培養過程中通入4%-5%CO2氣體, 有效地提高了體節階段早期胚胎的生長發育率。通過該實驗還發現, 通入60%的O2氣體對於胎齡較長的胚胎的生長發育率有提高作用。在此之後, New對其技術進行了改進, 其設計的循環器裝置採用循環的同源離心血清培養基進行胚胎培養, 在培養過程中通入95% O2和5% CO2氣體。結果證明, 除在30體節胚胎無法建立血管與尿囊胎盤的連接外, 胚胎生長發育和器官分化均與體內同齡胚胎無顯著性差異。
由於循環器裝置較複雜, New等隨後又設計了一套更為簡便的充氣旋轉瓶裝置, 採用旋轉培養法, 其培養效果與循環培養器裝置的培養基本一致。目前所採用的WEC技術基本上是在New的實驗基礎上改進而來, 即採用大鼠或小鼠受孕後8-10d的全胚胎,在合適的氣體環境和適當的培養基條件下, 進行旋轉培養一定時間後, 根據研究目的進行全胚胎評價。
1.2 培養工具
Adawarbler® WEC001-GT系列是一款基於New等科學家當初的充氣旋轉瓶裝置原理再次創新的革命性的AI智能精密型全胚胎旋轉培養系統。該系統突破了傳統靜態或簡單懸浮培養胚胎的侷限，集成了 Gastri3 AI三氣智能分配管理系統、高精度壓力控制模組及EmbyroLive20 遙距攝像模組。它專為高度模擬體內複雜微環境而設計，至少支援全胚胎或類器官從E0到E90的長時程動態培養，廣泛應用於：
- 齧齒動物全胚胎培養 (WEC)
- 類胚胎 (Embryoids) 與類囊胚 (Blastoids) 構建
- 人/鼠類器官 (Organoids) 的長期分化與發育
- iPSC (誘導多能幹細胞) 的動態擴增
系統技術原理：該裝置是DAT New和DL Cockroft Experientia 35,138(1979)描述的充氣旋轉瓶裝置(當時領域內首創)的現代化改進版本，每個培養瓶都具有封閉獨立的微環境，並且經過技術工程師二次創新設計成完全適合小鼠等全胚胎等組織培養的可穩定長期發育的精密培養系統。具體的培養方法已經預設在系統內。本裝置中的培養小瓶也同樣基於其經典的"British Turntable Culture (BTC)"標準並進行了現代化製造：
- 動態旋轉： 通過DishKP系列可插拔單軸迴轉器（20孔位），帶動薄壁（1000μm）培養瓶旋轉，確保持續的高效率的營養交換和氣體平衡，幾乎無體內流體剪切力，保壓且可自由插拔，更適合高通量培養。
- 精密控氣： 內置 AI 算法即時調控CO2、O2、N2的體積（%vol）或質量（%wt）比例，支援低氧（Hypoxia）及高氧（Hyperoxia）培養，無需人工干預。
- 微正壓環境： 創造高於大氣壓的微正壓環境（0.0-20.0PSI），並且可以自由控制，非常準確的模擬胚胎或器官發育過程中的體內生理壓力環境。
1.3培養基和氣體條件
培養基作為WEC成功與否的關鍵, 長期以來一直是學者們關注的焦點。Nicholas等早期採用雞血漿、澱粉瓊脂、營養瓊脂、胎盤提取物、瓊脂+不同濃度鹽溶液、雞血漿+大鼠胚胎提取物作為培養基進行胚胎培養, 均未取得滿意結果。New等通過實驗證明同種血清是大鼠胚胎體外培養的最佳培養基, 且培養效果與提供血清的大鼠性別、是否懷孕、是否與提供胚胎的大鼠為同一只等因素無關。近年來, 一些國內學者也對WEC的培養基進行了進一步探索。張天寶等通過實驗發現, 用人工合成培養基全部和部分替代大鼠血清進行全胚胎培養, 結果發現 TC 199培養基在添加 60%大鼠血清後可替代大鼠血清作為培養基進行全胚胎培養。單用小牛血清及用小牛血清+10% 大鼠血清作為培養基, 胚胎的生長發育都不能達到純大鼠血清的水平。王秋楓等以90%人血清+10%大鼠血清進行全胚胎培養, 除胚胎 DNA 含量外,其他各項生長分化指標與大鼠血清培養的胚胎無明顯差異,可以作為替代培養基用於胚胎早期生長發育的研究和評價。
目前用於WEC最常用的培養基為同源即刻離心血清 (immediately centrifugal serum,ICS), 即用於大鼠WEC的培養基為成年健康大鼠麻醉後經腹主動脈快速抽血、立即離心後而分離的血清。
氣體環境是決定 W EC培養效果的另一重要因素。New等發現,在氣體系統中加入5% CO2能夠起到中和碳酸氫鹽,維持培養基pH的作用, 有益於胚胎的生長發育。氧在哺乳動物胚胎器官發育期的代謝過程中起到重要作用, 合適的氧濃度是WEC成功與否的關鍵。氧濃度過高會導致氧化,氧濃度過低則會造成代謝性應激。New等在確定CO2氣體含量後, 又將O2限定到 20% -95%,觀察胚胎發育情況,發現隨着胚胎生長發育的進行, 耗氧量將會增加。
目前廣泛應用的WEC氣體系統是由O2,CO2,N2 三種氣體組成。分別於培養開始時、第 16小時,第26小時往培養瓶內通入混合氣體, 其比例變化依次O2:CO2:N2(5:5:90,20:5:75,40:5:55)。
以上培養條件已實現自動化更改比例，內置在了Gastri3三氣管理系統中，更方便使用人。
關於WEC培養中應注意的問題、WEC技術在生長發育和毒理學中的應用參考下一章節。