Nature：X射线新技术成像活体胚胎

　　

生物通报道：生物学家一直希望在活体内，以亚细胞的分辨率观察胚胎结构的变化，以分析细胞在发育过程中的行为。重要的形态发生运动贯穿着整个胚胎发育阶段，特别是当原肠胚形成时，发生了一系列剧烈而协调的细胞运动，驱动胚胎形成复杂的多层结构。

此前，人们已经通过荧光显微镜、核磁共振成像等技术，对非洲爪蟾和斑马鱼胚胎进行了体外和体内实验，分析了发育阶段细胞和组织的运动。但这些技术无法在不透明的活体胚胎中，成像高分辨率的细胞行为。

为此Karlsruhe理工学院（KIT）的科学家们开发了一种新型X射线技术，他们通过这一技术获得了一系列非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎发育的高分辨率图像，并通过三维重建揭示了活体胚胎约两小时的发育过程，展现了胚胎中各个细胞的活动，文章发表在本周的Nature杂志上。传统X射线成像技术以X射线的吸收为基础，而这一新技术是基于X射线的衍射。

“X射线衍射可以对软组织进行高分辨率的成像，”文章的作者之一，KIT的物理学家Ralf Hofmann说。“我们不仅能够对单个细胞及其结构组分进行解析，还可以观察到单个细胞的迁移和细胞网络的运动。”

这种基于X射线衍射的新方法，能通过折射率的变化来区分类似的组织。不过，这一技术与传统的X射线吸收型成像不同，不仅不需要造影剂，X射线的量也大大减少。这在检测活体生物的敏感组织时特别有优势，例如非洲爪蟾的胚胎。研究人员利用这种新技术，在非洲爪蟾胚胎中分析了原肠胚形成时，各组织、腔室和细胞的运动和形态变化。

由数百个细胞组成的简单球形胚胎，在原肠胚形成阶段转变为复杂的多层次结构，其中已分化的组织会最终成为神经系统、肌肉和各种内部器官。就如著名发育生物学家Lewis Wolpert所说，原肠胚形成是生命中最重要的事件。

这项研究首次向人们展示了，活胚胎中细胞的相互作用，以及空腔的形成和消失过程。“细胞在迁移过程中形成功能性的细胞网络，这些网络会自动适应环境的改变。在迁移过程中，细胞特化成为未来器官的前体组织。”文章的共同作者，Jubin Kashef指出。

这项研究为人们提供了胚胎发育中重要的形态学和动态信息，定位了驱动组织和细胞迁移的核心区域。研究人员还指出，将野生型胚胎与突变体进行比较，能够揭示上述动态中的分子机制。非洲爪蟾是最重要的发育生物学模型之一，可以帮助人们进一步理解人类胚胎形成和相关疾病。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

X-ray phase-contrast in vivo microtomography probes new aspects of Xenopus gastrulation

An ambitious goal in biology is to understand the behaviour of cells during development by imaging—in vivo and with subcellular resolution—changes of the embryonic structure. Important morphogenetic movements occur throughout embryogenesis, but in particular during gastrulation when a series of dramatic, coordinated cell movements drives the reorganization of a simple ball or sheet of cells into a complex multi-layered organism1. In Xenopus laevis, the South African clawed frog and also in zebrafish, cell and tissue movements have been studied in explants2, 3, in fixed embryos4, in vivo using fluorescence microscopy5, 6 or microscopic magnetic resonance imaging7. None of these methods allows cell behaviours to be observed with micrometre-scale resolution throughout the optically opaque, living embryo over developmental time. Here we use non-invasive in vivo, time-lapse X-ray microtomography, based on single-distance phase contrast and combined with motion analysis, to examine the course of embryonic development. We demonstrate that this powerful four-dimensional imaging technique provides high-resolution views of gastrulation processes in wild-type X. laevis embryos, including vegetal endoderm rotation, archenteron formation, changes in the volumes of cavities within the porous interstitial tissue between archenteron and blastocoel, migration/confrontation of mesendoderm and closure of the blastopore. Differential flow analysis separates collective from relative cell motion to assign propulsion mechanisms. Moreover, digitally determined volume balances confirm that early archenteron inflation occurs through the uptake of external water. A transient ectodermal ridge, formed in association with the confrontation of ventral and head mesendoderm on the blastocoel roof, is identified. When combined with perturbation experiments to investigate molecular and biomechanical underpinnings of morphogenesis, our technique should help to advance our understanding of the fundamentals of development.