1、下篇胚胎学第 20 章胚胎学绪论一、胚胎学的内容和意义胚胎学（embryology)主要是研究从受 精卵发育为新生个体的过程及其机制的科学，研究内容包括生殖细胞发生、受精、胚 胎发育、胚胎与母体关系、先天性畸形等。人胚胎在母体子宫中的发育经历 38 周 (约 266 天） ，可分为两个时期：从受精卵 形成到第 8 周末为胚期（embryonic peri-od)Q 在此期，受精卵由单个细胞经过迅速 而复杂的增殖分化，历经胚（embryo) 的 不同阶段，发育为各器官、系统与外形都 初具雏形的胎儿（fetus)。此时只有3cm 长，堪称“袖珍人” 。从第 9 周至出生为 胎期（fetal per
2、iod)。此期内胎儿逐渐长大，各器官、系统继续发育，多数器官出现不同程度的功能活动。胚期质变剧烈，胎期量变显著。因此，胚期是研究和学习的重点。个体出生后，许多器官的结构和功能 还远未发育完善，还要经历相当长时期的继续发育和生长方逆成熟，然后维持一段时期，继而衰老死亡。出生后的这一过程 可分为婴儿期、儿童期、少年期、青年期、成年期和老年期。研究出生前和出生后生 命全过程的科学则称为人体发育学（devel-opment of human ) 胚胎学包括以下分支学科。1.描述胚胎学（descriptiveembryology) 主要应用组织学和解剖学的方法（如 光镜、电镜技术）观察胚胎发育的形态演
3、变过程，包括外形的演变、从原始器官到永久性器官的演变、系统的形成、细胞的增 殖、迁移和凋亡等，是胚胎学的基础内容。2.比较胚胎学（comparativeembryology) 以比较不同种系动物（包括人类） 的胚胎发育为研究内容，为探讨生物进化 过程及其内在联系提供依据，并有助于更 深刻地理解人胚的发育。3.实验胚胎学（experimentalembryology) 对胚胎或体外培养的胚胎组织给予 化学或物理因素刺激，或施加显微手术， 观察其对胚胎发育的影响，旨在研究胚胎发育的内在规律和机制。4.化学胚胎学（chemicalembryology)应用化学与生物化学技术揭示胚胎生长发 育过程中诸
4、多化学物质的质与量的变化及代谢过程。5.分子胚月台学(molecularembryology) 用分子生物学的理论和方法探索胚胎发生过程中基因表达的时间顺序、空间分 布与调控因素，研究基因表达产物即各种 蛋白质在胚胎发育中的作用，以从根本上 阐明胚胎发育的分子过程和机制。这是当 前与今后胚胎学理论研究的前沿领域。6.畸形学（teratology) 在胚胎发育过程中，由于遗传因素或环境有害因素的 影响，可导致胚胎异常发育，从而引起先天性畸形。畸形学旨在研究各种先天性畸 形发生的原因、机制和预防措施。7.生殖工程学(reproductiveengineering) 这是胚胎学中新兴的研究领域，通过
5、 人工介入早期生殖过程，以获得人们期望 的新生个体。主要技术有体外受精、早期 胚胎培养、胚胎移植、卵质内单精子或细 胞核注射、配子和胚胎冻存等。试管婴儿 和克隆动物是该领域中最著名的成就。本教科书的胚胎学部分，以人体发生 的描述胚胎学为主要内容，并适当地介绍 了畸形学以及其他分支学科的研究成果。显然，胚胎学兼具重要的理论意义和 实用价值，是一门内容丰富多彩的学科，或者用著名的加拿大胚胎学家摩尔 (Moore)的话说，是一门充满魅力的学科。 其理论意义体现在，能帮助人们用科学唯 物主义的观点理解生命个体的发生和发育。 对于医学生来说，只有在学习了胚胎学之 后，才算真正完整地了解人，了解作为个 体
6、的人是如何来到人世间的，其外形、体 内各系统、器官、组织、细胞是如何发生 演化的；才能更深人地理解解剖学、组织 学、病理学、遗传学等学科中的某些内容， 如组织学中干细胞的概念，病理学中按细 胞的胚层来源对恶性肿瘤进行的分类。其 实用价值主要体现于临床应用方面。产科 医生只有掌握了有关胚胎发育全过程以及 胚胎和母体关系的知识，才能对孕妇进行 正确的妊娠跟踪和保健指导；先天性崎形 的检测和防治都需以畸形学作为基础；生 殖工程学更是为不育症患者带来福音。胚胎从一个细胞（受精卵）发育为(57) x 1012 个细胞构成的足月胎儿的过程 中，每一部分都在发生复杂的动态变化。 这是胚胎学的研究对象不同于组
7、织学的显 著特点。因此，学习者既要了解某一时期 胚胎的立体形态（三维结构） ，也要掌握在 不同时期这些结构演变的来龙去脉，即胚 胎的时间与空间的结构变化。这不仅对于 学好胚胎学十分必要，而且对于训练和培 养动态的空间思维方法也很有裨益。二、胚胎学发展简史与现代胚胎学古希腊学者亚里士多德（Aristotle)最 早对胚胎发育进行过观察，他推测人胚胎 来源于月经血与精液的混合，并对鸡胚的 发育做过一些较为正确的描述。1651 年， 英国学者哈维（Harvey)发表论动物的生 殖 ，记述了多种鸟类与哺乳动物胚胎的生 长发育，提出“一切生命皆来自卵”的假 设。显微镜问世后，荷兰学者列文虎克 (Leeu
8、wenhoek )与格拉夫（Graaf)分别发 现精子与卵泡，意大利学者马尔比基 (Malpighi)观察到鸡胚的体节、神经管和 卵黄血管。他们提出“预成论”学说，认 为在精子或卵内存在一微小个体，由此逐 渐发育长大为胎儿。18 世纪中叶，德国学者沃尔夫（Wolff) 指出，早期胚胎中没有预先存在的微小个 体，胚胎的四肢和器官是经历了从无到有、 由简单到复杂的渐变过程而形成的，因而 提出了 “渐成论” 。1828 年，爱沙尼亚学者 贝尔（Baer)发表论动物的发育一书， 报告了多种动物及人卵的发现；他观察到 人和各种脊椎动物的早期胚胎极为相似， 随着发育的进行才逐渐出现纲、目、科、 属、种的特
9、征（此规律被称为贝尔定律） 。 他认为，对不同动物胚胎的比较比成体的 比较能更清晰地证明动物间的亲缘关系。 贝尔的研究成果彻底否定了 “预成论” ，并 创立了比较胚胎学。1855 年，德国学者雷 马克（Remark )根据沃尔夫与贝尔的*些 报告及自己的观察，提出胚胎发育的三胚 层学说，这是描述胚胎学起始的重要标志。 1859 年，英国学者达尔文在物种起源中对贝尔定律给予强有力的支持，指出不 同动物胚胎早期的相似表明物种起源的共 同性，后期的相异则是由于各种动物所处 外界环境的不同所引起。至19 世纪 60 年 代，德国学者穆勒（Miiller) 与海克尔 (Haeckel)进步提出“个体发生
10、是种系发 生的重演”的学说，简称“重演律” 。这一 学说基本上是正确的，但由于胚胎发育期 短暂，不可能重演全部祖先的进化过程， 如哺乳动物胚胎中可见到类似鱼的鳃裂， 但并不发展为鳃。自 19 世纪末，人们开始探讨胚胎发育 的机制。德国学者斯佩曼（Spemann) 应用 显微操作技术对两栖动物胚进行了分离、 切割、移植、重组等实验。如移植的视杯 可导致体表外胚层形成晶状体；移植原口 背唇至另一胚胎的腹侧，便产生了第二个 胚胎。根据这些结果，斯佩曼提出了诱导 学说，认为胚胎的某些组织（诱导者）能 对邻近的组织（反应者）的分化方向起诱 导作用。在这些实验与理论的基础上，实 验胚胎学逐渐发展起来，斯佩
11、曼也因此于 1935 年荣获诺贝尔生理学或医学奖。其他 著名学说还有细胞分化决定、胚区定位、 胚胎场与梯度等。与此同时，一些学者应 用化学和生物化学技术，研究胚胎发育过 程中细胞与组织内的化学物质变化、能量 消长、新陈代谢特点以及这些化学因素与 胚胎形态演变的关系。英国学者李约瑟 (Needham )总结了这方面的研究成果，于 1931 年发表化学胚胎学一书。现代胚胎学是从 20 世纪 50年代开始发 展起来的，以分子胚胎学和生殖工程学作 为其理论和技术进步的两大标志。50 年代， 随着DNA 结构的阐明和中心法则的确立， 诞生了分子生物学。用分子生物学的观点 和方法研究胚胎发育过程，便产生了
12、分子 胚胎学。其研究结果表明，在发育过程中， 最重要的不是个别基因的表达，而是这些 表达在时间和空间上的联系与配合，即发 育的遗传程序；而遗传程序是由调节基因 控制的。迄今，这方面的研究主要应用生 命周期短并易于操作的果蝇进行。已发现 的重要调节基因群有：母体基因，其表达产物在卵细胞质内有特定的分布模式，可 选择性地激活细胞核内的基因，从而决定 胚胎的体轴；分节基因，能奠定体轴分节 发育的格局；同源异形基因，进一步决定 各体节的演化方向和形态特征，如头、胸、 腹。这些基因群对果蝇胚胎发育构成了多 层次的调控网络。和同源异形基因类似的 基因也已在包括人在内的多种脊椎动物的胚 胎中发现，统称同源框
13、基因（homeobox gene)。分子胚胎学与实验胚胎学、细胞生 物学、分子遗传学等学科互相渗透，形成了一 个交叉学科，即发育生物学（developmental biology) o生殖工程学是把某些实验胚胎学技术 向应用方面发展而形成的。例如把体外受 精、胚胎移植等技术用于治疗女性不孕症， 便于1978 年在英国诞生了第一例试管婴儿； 把研究两栖类动物体细胞核的再分化能力 所用的核移植技术用于哺乳动物，克隆羊 多莉便于 1997 年轰动世界。我国的胚胎学研究始于 20世纪 20 年 代。朱洗（ 18991962)、童第周（1902 1979)、张汇泉（18991986)等对这一领域 的科研
14、和教学均卓有贡献。朱洗对受精的研 究，童第周对卵质与核的关系、胚胎轴性、 胚层相互作用的研究，张汇泉对畸形学的研 究，都开创和推动了我国胚胎学的发展。克隆动物的先驱戈登1994 年秋，在曼彻斯特大学举行的一 次学术盛会上，有来自全英的著名生命科 学家做演讲。我本章作者有幸在座。 演讲内容五花八门，听得人头昏脑胀。又 换人了。和前面那些高大硕壮的男女相比， 这回是个瘦小老头，华发苍颜，神色肃谨。 幻灯片打出来了-剑桥的 Gurdon!当学生时我读过他在 20 世纪 60 年代 初做的实验介绍。他把爪蟾耕抖的小肠上 皮细胞核吸出来，注进去核的卵细胞，结 果一部分卵发育成蝌蚪，其中一部分蝌蚪 又发育
15、为成熟的爪蟾。核移植是斯佩曼在 2世纪 30 年代末提出的，目的在于检验 巳分化细胞的核是否还保留完全的遗传信息和再分化能力。在 50 年代，有人成功地 用早期蛙胚细胞核进行了这种实验。但用 完全分化的细胞核，戈登是第一人。后来， 他又用成体的表皮细胞核进行移植，卵发 育到了蝌蚪阶段。这些实验结果还提示， 在卵发育的早期阶段，卵细胞质发挥了决 定性的作用，这又导致了母体基因的发现。 时隔 30 年，戈登仍在用他喜爱的蟾蜍胚胎 进行形态发生子（morphogen)研究。1997 年，Wilmut 在爱丁堡宣布，用 成体细胞核移植成功的克隆羊多莉诞生了，这一消息立即被国际传媒爆炒。不懂的人 问我。
16、我说，这不过是第一头克隆哺乳动 物，克隆癞蛤蟆在三十几年前就有了。我不由回忆被今日的明星Wi1mut 踩着肩膀的那位瘦小巨人。我想，这一代代踩着肩 膀向上攀登的胚胎学家们最终可能达到的 顶峰是什么呢？其实，当年戈登的实验结 果一公布，人们就猜到了 ：人的无性繁殖， 现称克隆人。这可是一只禁果，总有人按 捺不住品尝的欲望，而社会伦理的上帝不 允许。第 21 章胚胎发生总论在胚期，受精卵发育为初具人形的胎 儿，这是整个胚胎发育的关键时期。本章 叙述其总体的发生过程以及胚胎与母体的 关系。胚体各个系统的发生过程将在以后各章介绍。一生殖细胞和受精(一）生殖细胞生殖细胞（germ cell)又称配子（g
17、amete), 包括精子和卵子（见第 18、19 章） 。精子为单倍体细胞，核型为 23，X 或 23，Y，它们具有定向运动的能力和使卵 子受精的潜力，但是尚无穿过卵子周围的 放射冠、释放顶体酶、穿过透明带的能 力。这是由于精子头的外表面被一层来自 精液中的糖蛋白覆盖，能阻止顶体酶释 放。精子通过子宫和输卵管时，该糖蛋白被去除，从而使精子获得了使卵子受精的 能力，此现象称获能（capacitation )。精子在女性生殖管道内的受精能力一般可维 持 1 天。从卵巢排出的卵子处于第二次减数分 裂的中期，进人并停留在输卵管壶腹部。当与精子相遇，受到精子穿入其内的激发， 卵子才完成第二次减数分裂。若
18、未受精， 则在排卵后1224 小时退化。(二）受精受精（fertilization)指精子与卵子结合 形成受精卵的过程，一般发生在输卵管壶 腹部。正常成年男性一次可射出 3 亿5 亿 个精子，其中 300500 个最强壮的精子能通 过鞭毛运动抵达输卵管壶腹部。虽然最终 只有一个精子能与卵子结合，但其他精子 的作用必不可少。受精的过程可分为三期 (图 21-1)。1.大量获能的精子接触到卵子周围的 放射冠时；即开始释放顶体酶，解离放射 冠的卵泡细胞，这样部分精子可径直接触 到透明带。2.接触到透明带的精子与ZP3，即精 子受体结合，然后释放顶体酶，在透明带 中溶蚀出一条孔道，精子头部便接触到卵
19、子。精子释放顶体酶，溶蚀放射冠和透明 带的过程称顶体反应（acrosome reaction)。 在这一过程中顶体的前膜与精子头部表面 的细胞膜融合后破裂，形成许多小孔，顶 体内含的酶类得以排出。3.精子头侧面的细胞膜与卵子细胞膜 融合， 随即精子的细胞核及细胞质进人卵 子内，精子与卵子的细胞膜融合为一体。 精卵结合后，卵子浅层胞质内的皮质颗粒 立即释放酶类，使透明带结构发生变化， 特别是使 ZP3 分子变性，不能再与精子结 合，从而阻止了其他精子穿越透明带，这 过程称透明带反应（zona reaction)。这* 反应保证了正常的单精受精。偶尔，也有 两个精子同时进入卵子，然而，三倍体的 胚
20、胎或者中途流产，或者出生后夭亡。同时，卵子迅速完成第二次减数分裂， 排出一个第二极体。此时精子和卵子的细 胞核分别称为雄原核（male pronucleus)和 雌原核（female pronucleus )。两个原核逐渐在细胞中部靠拢，核膜消失，染色体混合， 形成二倍体的受精卵（fertilized ovum)，又 称合子（zygote)(图 21-2)，受精过程到此完成。发育正常并已获能的精子与发育正常 的卵子在限定的时间相遇是受精的基本条 件。应用避孕套、子宫帽、输卵管或输精 管结扎等措施，可阻止精、卵相遇，达到 避孕目的。受精的意义在于：精子与卵子的结 合，恢复了细胞的二倍体核型；同时
21、，来 自双亲的遗传物质随机组合，加之生殖细 胞在减数分裂时曾发生染.色体联合和片段 交换，因而由受精卵发育而来的新个体既 维持了双亲的遗传特点，又具有与亲代不 完全相同的性状。受精决定新个体的遗传性别。带有 Y 染色体的精子与卵子结合， 发育为男性；带有 X 染色体的精子与卵子 结合，发育为女性。精子进人卵子，犹 如中子轰击入铀原子核后引发剧烈的级联 反应一样，使原本相对静止的卵子转入旺 盛的能量代谢与生化合成，受精卵开始进 行细胞分裂，启动了胚胎发育的进程。张民觉为“试管婴儿”铺路的人生殖是生物最基本的特征之一，物种 主要依赖生殖细胞而延续。交配后雌雄生 殖细胞的融合过程（受精）一直是研究热
22、 点之一。体外受精（In vitro fertilization， IVF)是指在体外环境完成精 |卵结合的过程。早在 1878 年，德国的 Schenk 将卵细胞和附睾内精子放入子宫液 中进行孵育，观察到第二极体的产生及卵 裂现象。但是，直到 20 世纪 40 年代，只 有极少数研究者进行哺乳动物体外受精获 得成功， .但实验难以重复，说明这一阶段 的体外受精工作主要是建立在经验基础上， 带有偶然性。1951 年，美籍华人学者张民觉设计了 在雌兔排卵前和排卵后不同时间将雄兔精液置于雌兔输卵管中，观察受精情况。结果发现，只有在排卵前 6 小时置入输卵管 内的精子才能与卵子结合。说明至少要 6
23、小时，精子才能具有受精能力。因此，他提出获能是受精的先决条件。同年， Austln 也发现获能现象。他们的发现，被称为“张-奥斯汀原理” 。获能现象的发现 有力地推动了体外受精研究。1959 年，张 民觉用体外获能的兔精子进行体外受精， 然后将早期胚胎植入子宫，获得世界上首例“试管动物”试管兔。1963 年，张 民觉等发现，只需在简单培养液中对精子 做获能处理，即可进行体外受精，这又加速了体外受精研究的进程。张民觉的工作 为后来试管婴儿的研究奠定了基础。1978 年，第一例试管婴儿Louise Brown 在英 国出生，这是体外受精技术走向成熟的划 时代事件，是医学和生物学的一次革命。30 年
24、来，世界上巳有数十万试管婴儿 (test tube baby)出生，为不育家庭带 来了幸福。(徐晨)参考读物张民觉研究哺乳动物 精作用的历史和背景.生理科学进展， 1983，14： 289-291.二.胚泡形成和植入(一）卵裂和胚泡形成受精卵一旦形成，便开始一边向子宫 方向移行，一边进行细胞分裂。由于子细胞被透明带包裹，在分裂间期无生长过程， 仅原受精卵的胞质被不断分到子细胞中， 因而随着细胞数目增加，细胞体积逐渐变 小。受精卵的这种特殊的有丝分裂称卵裂 (cleavage )，卵裂产生的子细胞称卵裂球 (blastomere)。到第 3 天，卵裂球数达1216 个，共同组成一个实心胚，外观如
25、桑椹，故 称桑堪胚（morula)( 图 212、图 213)。于第 4 天，桑椹胚进入子宫腔，其细 胞继续分裂，当卵裂球数达到 100 个左右 时，细胞间出现若干小的腔隙，它们逐渐 汇合成一个大腔，腔内充满液体。此时透明带溶解，胚呈现为囊泡状，故称胚泡 (blastocyst)。胚泡中心为胚泡腔（blasto-coele)。胚泡壁由单层细胞构成，与吸收营 养有关，称滋养层（trophoblast)。位于胚 泡腔内一侧的一群细胞，称内细胞群（in-ner cell mass)(二）植入 胚泡进入子宫内膜的过程称植入 implantation )，又称着床（imbed )。植入约于 受精后第 5
26、6 天开始，于第 1112 天完成。 植入时，内细胞群侧的滋养层首先与子宫内膜接触，分泌蛋白水解酶，在内膜溶蚀 出一个缺口，然后胚泡陷入缺口，逐渐被 包埋其中（图 21-4)。在植入过程中，与内 膜接触的滋养层细胞迅速增殖，滋养层增 厚，并分化为内、外两层。外层细胞互相 融合，细胞间界线（即细胞膜）消失，称合体滋养层（syncytiotrophoblast)；内层细胞界限清楚，由单层立方细胞组成，称细 胞滋养层（cytotrophoblast)。后者的细胞通过分裂使细胞数目不断增多，并补充、融 入合体滋养层。胚泡全部植入子宫内膜后，缺口修复， 植入完成。这时胚泡的整个滋养层均分化为 两层，并迅
27、速增厚。在合体滋养层内出现一些小的腔隙，称滋养层陷窝，因与子宫内膜的小 血管相通，其内充满母体血液（图 21-5)。植入时的子宫内膜正处于分泌期，植 入后血液供应更丰富，腺体分泌更旺盛，基质细胞变得十分肥大，富含糖原和脂滴， 内膜进一步增厚。子宫内膜的这些变化称 蜕膜反应，此时的子宫内膜改称蜕膜（de -cidua)，基质细胞改称蚊膜细胞（decidual cell)。根据蜕膜与胚的位置关系，将其分为 三部分：基蚊膜（decidua basalis)，位于 胚深面；包脱膜（decidua capsularis )，覆 盖在胚的子宫腔侧；壁鋭膜（decidua pari-etalis)，是子宫其
28、余部分的蚁膜（图 21-6)。胚泡的植入部位通常在子宫的体部和 底部，最多见于后壁。若植入位于近子宫 颈处，在此形成的胎盘，称前置胎盘（placenta previa)，分晚时堵塞产道，导致胎儿 娩出困难。若植入在子宫以外部位，称宫 外孕（ectopic pregnancy)，常发生在输卵 管，偶见于子宫阔韧带、肠系膜、子宫直 肠陷窝，甚至卵巢表面（图 21-7)。宫外孕 胚胎多因营养供应不足，早期死亡，被吸 收；少数植入输卵管的胚胎发育到较大后， 引起输卵管破裂和大出血。植入过程受母体雌激素和孕激素的精 细调节，这些激素的正常分泌使子宫内膜 保持在分泌期。若母体内分泌紊乱，子宫 内膜的周期性变化与胚泡发育不同步，植 入便不能完成。胚泡的植人还需要有正常 的子宫腔内环境。子宫有炎症或有避孕环， 均可阻碍胚泡植入。三、胚层的形成(一）二胚层胚盘及相关结构的形成在第 2 周胚泡植人过程中，内细胞群 增殖分化，逐渐形成圆盘状的胚盘（embryonic disc),由两个胚层组成，也称二胚 层胚盘。邻近滋养层的一层柱状细胞为上 胚层（ epiblast)，靠近胚泡腔侧的一层立方 细胞为下胚层（hypoblast)。两个胚层紧贴， 中间隔以基膜（图 21-5、图 21-8)。胚盘 是人体发生的原基。继之，由于上胚层细胞增殖，其内出 现一个充满液体的小腔隙，称羊膜腔，腔 内液体为羊水。贴靠细
