活体成像技术起源于20世纪90年代，最初被用于观测小鼠体内的肿瘤生长情况、监测化疗药物效果。

2010年前后，该方法逐渐被拓展到大脑、肠道、肺、肝脏等器官的观察。

2016年，杜克大学普拉特工程学院生物医学工程系教授沈西凌等将活体技术用于观测小鼠的肠神经，设计出“器官窗”。

现在，他与合作者将这一方法用于观测小鼠的胚胎发育，从而实现细胞水平的动态观测及多种操纵，持续时间从胚胎发育第9.5天一直到出生。

小鼠胚胎发育从第9.5天起，多个器官迅速发育成型，有的器官大小可从2毫米长至1厘米，适于观测。

窗口观察示意图。（图片来源：《科学》）

本研究用到的器官窗采用圆形及椭圆形两种不同尺寸，在麻醉状态下植入小鼠腹部，并用3D打印的微型夹子固定，小鼠苏醒后可正常生存。

在胚胎发育第9.5天植入圆形窗，胚胎存活率为65.6%。

由于此时胚胎体积较小、子宫壁较厚，手术难度更大。

到胚胎发育第12.5天，子宫壁变薄，手术操作难度相对减小，此时植入圆形窗或椭圆窗，胚胎存活率分别为81.9%和84.1%。

此前，组织染色、超声、核磁共振等胚胎观测方式都无法达到细胞水平，体外培养的胚胎可存活1-2天，虽可达到细胞水平，但对胚胎发育的观测止步于器官形成早期，人们无法继续监测后续过程。

本文中，研究者通过活体成像技术首次观测到胚胎大脑的神经递质传递：大脑神经内的荧光钙离子信号，可在90秒内实现细胞间传递。

视网膜发育过程中的细胞自噬、胚胎的血管如何形成等也可被观测到。

此外，在胚胎大脑中标记荧光信号并结合子宫内电转技术，研究者还可观察特定细胞的分裂及迁移过程。

“这有助于研究早期器官形成中不同干细胞的分化，并进行干细胞谱系分析。”论文第一作者及通讯作者、西安交通大学第二附属医院小儿外科副研究员黄强表示。

结合其他生物医学技术，研究者还可修饰、编辑胚胎发育过程中的特定细胞，为基因治疗提供观察模型。

“该方法为在体直接观察，较体外培养保真度更高。”黄强说。

相关论文信息：

DOI：10.1126/science.aba0210