title: Developing a stem cell-based 3D model of the human blastocyst and its application in exploring mammalian embryo morphologies
Creators: name: Sommer, Theresa
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: In Säugetieren resultiert die Präimplantationsentwicklung in der Bildung der Blastozyste, die sich in die Gebärmutter einnisten kann. Blastozysten bestehen aus drei Linien: dem Trophektoderm, das eine flüssigkeitsgefüllte Zyste bildet und den inneren Cluster, bestehend aus dem embryonalen Epiblasten und das primitive Endoderm, umschließt. Die Entwicklung einer befruchteten Eizelle zur multizellulären Blastozyste vollzieht sich selbstorganisiert, da der Embryo seine Komplexität ausschließlich durch die Integration intrinsischer biochemischer und mechanischer Hinweise in transkriptionelle Netzwerke und deren gegenseitige Regulierung erhöht. Obwohl gewisse Aspekte der Blastozystenentwicklung bei allen Säugetieren gleich sind, zeigen immer mehr Forschungsergebnisse, dass die Spezialisierung der Zelllinien, die Reifung und die Implantation beim Menschen unterschiedlich reguliert werden. Darüber hinaus sind mechanische Kräfte zwar ein wesentlicher Aspekt der Morphogenese, ihr Beitrag zur Formung des Gewebes menschlicher Blastozysten ist jedoch weitgehend unerforscht. Die Verwendung überzähliger menschlicher Embryonen für explorative Studien ist jedoch stark eingeschränkt, während Tiermodelle nur unzureichende Alternativen darstellen. Daher ist für die Untersuchung von Aspekten der frühen menschlichen Entwicklung die Verwendung von humanspezifischen Modellen erforderlich. In dieser Doktorarbeit werden zwei aufeinander aufbauende Studien vorgestellt, die neue Erkenntnisse über die Entwicklung, Morphologie und Funktion menschlicher Blastozysten liefern. Zunächst wurde ein stammzellbasiertes 3D-Modell einer menschlichen Blastozyste, das so genannte Blastoid, entwickelt. Menschliche Blastoide entwickeln sich aus aggregierten naiven pluripotenten Stammzellen, dem In-vitro-Analog des Epiblasten im Blastozystemstudium . Nach dreifacher Hemmung der ERK-, TGFb- und HIPPO-Signalwege organisieren sich die Stammzellen selbst zu blastozystenähnlichen Strukturen mit zwei aufeinanderfolgenden Spezilisierungen von Geweben, wobei deren präimplantations-Identität Des Weiteren rekapituliert das Blastoid während der der Ko-Kultivierung mit menschlichen Endometriumzellen Aspekte der Implantation und der frühen Postimplantationsentwicklung. Im zweiten Projekt wurde die Morphologien zwischen Maus- und menschlichen Blastozysten durchgeführt um zu prüfen, ob die Morphologie der Blastozysten zwischen den Arten konserviert ist. Während Maus-Blastozysten eine asymmetrische Trophektodermzyste mit einem sichelförmigen inneren Kompartiment aufweisen, bilden menschliche Blastozysten eine symmetrische Trophektodermzyste und ein kugelförmiges inneres Cluster, eine Organisation, die auch von Blastoiden rekapituliert wird. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass diese artspezifischen morphologischen Unterschiede unabhängig von Stadium und Zellzahl sind. Wir konnten jedoch feststellen, dass die Gewebemorphologien empfindlich auf Veränderungen der Kontraktilität reagieren, so dass sich bei einer Erhöhung der Kontraktilität in Mausblastozysten kugelförmige innere Cluster bilden und sich durch eine Senkung der Kontraktilität eine Gewebeorganisation im Trophektoderm ausbildet die menschlichen Blastozytsen ähnelt. Zusammenfassend wurde in dieser Doktorarbeit ein neues stammzellbasiertes Modellsystem einer menschlichen Blastozyste entwickelt, dass gemeinsam mit menschlichen und Mausblastozysten dazu verwendet wurde, um speziesspezifische Aspekte der Blastozytsenmorphologien zu studieren.
description: Mammalian pre-implantation development culminates in the formation of the blastocyst that is capable to implant into the uterus. Blastocysts comprise three lineages: the trophectoderm, that forms a fluid-filled cyst and surrounds the inner cluster of the embryonic epiblast and the primitive endoderm. The progression of a fertilised egg to a multicellular blastocyst occurs in a self-organised manner as the embryo increases complexity solely through the integration of intrinsic biochemical and mechanical cues into transcriptional networks along with their reciprocal regulation. Although certain aspects of early development are conserved across mammals, a growing body of research highlights that human embryos rely on distinct mechanisms that facilitate lineage specification, maturation, and implantation. Furthermore, while mechanical forces are an integral aspect of self-organised development their contributions to shaping the tissues of human blastocysts remain largely unexplored. However, the use of surplus human embryos for exploratory studies is vastly restricted while animal models comprise inadequate alternatives. Therefore, to study aspects of early human development the use of human-specific models is required. In this PhD thesis two consecutive studies are presented aiming to uncover novel insights of human blastocyst development, morphology and function. First, we developed a stem cell-based 3D model of a human blastocyst, termed blastoid. Human blastoids develop from aggregated naïve pluripotent stem cells, the in vitro analogue of the pre-implantation epiblast. Upon triple inhibition of the ERK-, TGFb- and HIPPO-signalling pathways, stem cells self-organise into blastocyst-like structures with two consecutive events of lineage segregation while retaining pre-implantation identity. Moreover, when co-culturing blastoids with human endometrial cells, the model recapitulates aspects of implantation and early post-implantation development. In the second project, a comparative approach between mouse and human blastocysts was taken to address whether blastocyst morphologies are conserved across species. While mouse blastocysts display an asymmetric cyst with a crescent inner compartment, human blastocysts form a symmetric trophectoderm cyst and a spherical inner cluster, an organisation that is also recapitulated by blastoids. Furthermore, we show that these species-specific morphological differences are stage and cell count independent. However, we identify that the tissue morphologies are sensitive to changes in contractility, allowing the formation of spherical inner clusters upon increasing contractility in mouse blastocysts and the acquisition of a human-like trophectoderm organisation upon contractility decrease. In summary, in this work we developed a novel stem cell-based model of the human blastocyst that allowed us, together with human and mouse blastocysts, to study species-specific aspects of blastocyst morphologies.