ヒトの胚発生

受精は、精子が卵子に正常に侵入し、配偶子が持つ2組の遺伝物質が融合して接合子（単一の二倍体細胞）が形成されるときに起こります。これは通常、卵管の片方の膨大部で起こります。接合子には、男性と女性の配偶子が持つ遺伝物質が組み合わさったものが含まれており、これは卵子の核から23本の染色体、精子の核から23本の染色体から構成されています。46本の染色体は、2つの細胞からなる胚の形成につながる有糸分裂の前に変化を受けます。

受精の成功は、種特異性を確保するための制御としても機能する 3 つのプロセスによって可能になります。 1 つ目は、精子を卵子に向かって移動させる走化性です。 ^{[ 2 ]} 2 つ目は、精子と卵子の間に接着適合性が生じることです。精子が卵子に付着すると、3 つ目のプロセスである先体反応が起こります。精子の頭部の前部は、透明帯を分解して精子の侵入を可能にする消化酵素を含む先体で覆われます。 ^{[ 3 ]}精子の侵入によりカルシウムが放出され、他の精子細胞の侵入がブロックされます。^{[ 3 ]}卵子内では、透明帯反応と呼ばれる同様の反応が起こります。これは、精子受容体タンパク質を消化する酵素を放出する皮質顆粒が放出されることで、多精子受精を防ぎます。^{[ 4 ]}顆粒はまた、細胞膜と融合し、それ以上の精子の侵入を防ぐように透明帯を修飾します。

卵割過程の開始は、接合子が有糸分裂によって2つの細胞に分裂したときに示されます。この有糸分裂は続き、最初の2つの細胞は4つの細胞に、次に8つの細胞に分裂し、以下同様です。各分裂には12～24時間かかります。接合子は他のどの細胞よりも大きく、全体的なサイズの増加なしに卵割が行われます。これは、連続する分裂ごとに核物質と細胞質物質の比率が増加することを意味します。^{[ 5 ]}

最初は、分裂中の細胞は割球（ギリシャ語で芽を意味するblastos ）と呼ばれ、未分化で卵子の透明帯に囲まれた球状に集まっている。8個の割球が形成されると、それらはコンパクトになり始める。^{[ 6 ]}それらはギャップ結合を発達させ始め、統合的に発達し、生理的信号や環境的合図に対する反応を調整できるようになる。^{[ 7 ]}

細胞数が約16個になると、透明帯内の細胞の固体球は桑実胚と呼ばれる。^{[ 8 ]}

卵割は胚盤胞形成の最初の段階であり、胚盤胞を形成する過程です。細胞は栄養膜と呼ばれる外層の細胞と、内側の細胞塊に分化します。さらに細胞が密集すると、個々の外側の割球である栄養膜は区別がつかなくなります。これらはまだ透明帯に包まれています。この密集によって構造が防水になり、細胞が後に分泌する液体が閉じ込められます。内側の細胞塊は分化して胚芽細胞となり、一方の端で極性化します。細胞同士が閉じてギャップ結合を形成し、細胞間のコミュニケーションを促進します。この極性化によって空洞である胚盤腔が形成され、これが胚盤胞と呼ばれる構造になります。（哺乳類以外の動物では、これは胚盤胞と呼ばれます。）

栄養膜細胞は胚盤胞腔に液体を分泌します。その結果、胚盤胞のサイズが大きくなり、透明帯を突き破って孵化し、透明帯は崩壊します。 ^{[ 5 ]}このプロセスは透明帯の孵化と呼ばれ、胚発生の6日目、着床プロセスの直前に起こります。ヒト胚の孵化は、胚盤胞の細胞から分泌されるプロテアーゼによって促進され、プロテアーゼは透明帯のタンパク質を消化して穴を生じさせます。その後、胚盤胞のリズミカルな膨張と収縮により、胚盤胞内部の圧力が上昇し、穴が拡大し、最終的に胚盤胞はこの硬い膜から出てくることができます。

内側の細胞塊からは前胚^{[ 9 ]}、羊膜^{[ 10 ]}、卵黄嚢、尿膜が形成され、胎盤の胎児部分は外側の栄養膜層から形成される。胚とその膜を合わせたものを受精卵といい、この段階で受精卵は子宮に到達している。透明帯は最終的に完全に消失し、露出した栄養膜細胞によって胚盤胞は子宮内膜に付着し、そこで着床する。二層胚盤の2つの主要な層である下胚葉と上胚葉の形成は、第2週の初めに起こる^{[ 11 ]} 。胚芽と栄養膜はどちらも2つの下層に分かれる。^{[ 12 ]}内側の細胞は下胚葉層に変化し、それが上胚葉と呼ばれる他の層を取り囲み、これらの層が胚盤を形成し、それが胚へと発達する。^{[ 11 ] [ 12 ]}

栄養膜にはさらに 2 つのサブレイヤーが発達します。細胞栄養膜は、子宮内膜内に位置する合胞体栄養膜の前にあります。^{[ 11 ]}次に、外体腔膜またはホイザー膜と呼ばれる別の層が現れ、細胞栄養膜と原始卵黄嚢を囲みます。^{[ 12 ]}合胞体栄養膜は成長し、ラキュナー期と呼ばれる段階に入り、数日後にいくつかの空胞が現れ、血液で満たされます。^{[ 11 ] [ 12 ]}卵黄嚢の発達は、外体腔膜を形成する下胚葉扁平細胞から始まり、細胞栄養膜の内側を覆って原始卵黄嚢を形成します。合胞体栄養膜細胞による母体毛細血管の内皮の侵食により母体洞が形成され、そこから血液が栄養膜腔に浸透して流れ込み、子宮胎盤循環が生じる。^{[ 13 ] [ 14 ]}その後、卵黄嚢由来の新しい細胞が栄養膜と体外膜の間に形成され、絨毛腔を形成する胚外中胚葉が生じる。^{[ 12 ]}

発生2週目の終わりに、栄養膜の一部の細胞が合胞体栄養膜に侵入し、丸い柱状構造を形成する。これらの柱状構造は一次絨毛として知られている。同時に、他の移動細胞が体外腔内に、原始卵黄嚢よりも小さい二次卵黄嚢または確定卵黄嚢と呼ばれる新しい腔を形成する。^{[ 12 ] [ 13 ]}

排卵後、子宮内膜は胚を受け入れる準備として分泌性内膜に変化します。内膜は厚くなり、分泌腺は長くなり、血管がますます発達します。子宮腔（または子宮）のこの内膜は脱落膜として知られ、増加した腺間組織で多数の大きな脱落膜細胞を生成します。胚盤胞の割球は、栄養膜と呼ばれる外層に配置されます。栄養膜はその後、内層である細胞栄養膜と外層である合胞体栄養膜に分化します。細胞栄養膜は立方上皮細胞を含み、分裂細胞の供給源であり、合胞体栄養膜は細胞境界のない合胞体層です。

合胞体栄養膜は絨毛の突起によって胚盤胞を脱落膜上皮に着床させ、胎盤の胚性部分を形成します。胎盤は胚盤胞が着床すると発達し、胚を子宮壁に接続します。ここで脱落膜は基底脱落膜と呼ばれ、胚盤胞と子宮筋層の間に位置し、胎盤の母体部分を形成します。着床は、上皮を侵食する加水分解酵素によって促進されます。合胞体栄養膜はまた、黄体からのプロゲステロン放出を刺激するホルモンであるヒト絨毛性ゴナドトロピンを産生します。プロゲステロンは子宮を厚い血管と毛細血管で覆い、発達中の胚に酸素を供給して維持できるようにします。子宮は細胞に蓄えられたグリコーゲンから糖を放出し、胚に栄養を与える。^{[ 15 ]}絨毛は枝分かれし始め、胚の血管を含む。末端絨毛または自由絨毛と呼ばれる他の絨毛は、栄養素を交換する。胚は、胎盤を胚に付着させる臍帯に発達する細い連結茎によって栄養膜殻に結合している。^{[ 12 ] [ 16 ]} 脱落膜の動脈は、胎盤の絨毛間腔への母体の血流を増加させるように再構築され、ガス交換と胚への栄養素の輸送を可能にする。胚からの老廃物は胎盤全体に拡散する。

合胞体栄養膜が子宮壁に侵入し始めると、内細胞塊（胚芽細胞）も発達する。内細胞塊は胚性幹細胞の源であり、胚性幹細胞は多能性を持ち、3つの胚葉細胞のいずれにも分化することができ、すべての組織や器官を生み出す能力を持っている。

胚盤葉は、上層が上胚葉、下層が下胚葉と呼ばれる2層の胚盤葉を形成する。胚盤葉は、羊膜腔と卵黄嚢の間に引き伸ばされる。上胚葉は栄養膜に隣接し、円柱細胞で構成されている。下胚葉は胚盤胞腔に最も近く、立方細胞で構成されている。上胚葉は栄養膜から下方へ移動し、羊膜腔を形成する^{[ 10 ]。}羊膜腔の内壁は、上胚葉から発達した羊膜芽細胞で形成される。下胚葉は押し下げられ、卵黄嚢（外体腔）の内壁を形成する。一部の下胚葉細胞は、胚盤胞腔の内側の細胞栄養膜内壁に沿って移動し、その過程で細胞外マトリックスを分泌する。これらの下胚葉細胞と細胞外マトリックスはホイザー膜（または体外膜）と呼ばれ、胚盤腔を覆って卵黄嚢（または体外腔）を形成します。下胚葉細胞はこの網状組織の外縁に沿って移動し、胚外中胚葉を形成します。これにより胚外網状組織は破壊されます。まもなく網状組織内にポケットが形成され、最終的にそれらが融合して絨毛腔（胚外体腔）を形成します。

すべての血液細胞を生み出す造血幹細胞は中胚葉から発生する。血液形成は、卵黄嚢内の血液細胞の集まりである血液島で起こる。血液島は、胚の外側、臍帯嚢、尿膜、連結茎、絨毛膜上に、中胚葉由来の血管芽細胞から発生する。

血液島の中心部では、造血幹細胞であるヘマンジオブラストが、あらゆる種類の血液細胞の前駆細胞を形成します。血液島の周辺部では、ヘマンジオブラストが血管の前駆細胞であるアンギオブラストに分化します。 ^{[ 21 ]}

心臓は最初に発達する機能的な器官であり、約22日目に拍動して血液を送り出すようになる。^{[ 22 ]}神経板の両側の内臓側板間葉にある心筋芽細胞と血島が心臓形成領域を生み出す。^{[ 12 ] : 165}これは、胚の頭部近くにある馬蹄形の領域である。19日目までに、細胞シグナル伝達の後、この領域で2本の管が形成され始め、その内部に内腔が発達する。これらの2本の心内膜管は成長し、21日目までに互いに向かって移動し、融合して1本の原始的な心臓管、管状心臓を形成する。これは、胚の折り畳みによって管が胸腔内に押し込まれることによって可能になる。^{[ 23 ]}

また、心内膜管が形成されるのと同時に、血管形成（循環系の発達）が始まります。これは、18日目に内臓側中胚葉の細胞が血管芽細胞に分化し、それが扁平な内皮細胞に発達することから始まります。これらの細胞が集まって血管嚢と呼ばれる小さな小胞を形成し、さらに集まって血管芽細胞索と呼ばれる長い血管を形成します。これらの索は、血管網の形成において、網状構造の広範なネットワークへと発達します。このネットワークは、血管新生の過程で新たな血管が芽生え、さらに伸長することによって成長します。^{[ 23 ]}血管形成と初期血管系の発達に続いて、血管リモデリングの段階が起こります。

管状の心臓はすぐに 5 つの明確な領域を形成します。頭から尾にかけて、これらは漏斗、心球、原始心室、原始心房、および静脈洞です。最初は、すべての静脈血が静脈洞に流れ込み、尾から頭に向かって動脈幹へと送られます。これは分岐して大動脈と肺動脈を形成します。心球は右（原始）心室に発達します。原始心室は左心室を形成します。原始心房は左右の心房の前部とその付属器になります。静脈洞は右心房の後部、洞房結節、および冠状静脈洞に発達します。^{[ 22 ]}

心臓ループ形成は形態形成過程の一つとして心臓の形を作り始め、これは第4週の終わりまでに完了する。接合面でのプログラム細胞死（アポトーシス）により融合が起こる。^{[ 23 ]} 第4週の中頃には、静脈洞は卵黄静脈、臍帯静脈、および共通主静脈の3つの主要な静脈から血液を受け取る。

発生の最初の 2 か月の間に、心房中隔が形成され始めます。この中隔は、原始心房を右心房と左心房に分けます。最初は三日月形の組織片として始まり、それが下方に成長して一次中隔となります。三日月形であるため、心房が完全に閉じることはなく、一次孔と呼ばれる開口部を通して右心房から左心房へ血液がシャントされます。この開口部は、システムのさらなる発達とともに閉じますが、閉じる前に、上部心房に 2 番目の開口部 (二次孔) が形成され始め、血液のシャントが継続されます。^{[ 23 ]}

第二中隔（二次中隔）は一次中隔の右側に形成され始めます。これにより、卵円孔と呼ばれる小さな開口部が残ります。卵円孔は、以前の二次孔の開口部と連続しています。一次中隔は、卵円孔の弁として機能する小さな弁に縮小し、出生時に閉鎖するまで残ります。心室の間には、筋性心室中隔に発達する下中隔も形成されます。^{[ 23 ]}

消化器系は第 3 週から発達し始め、第 12 週までに臓器は正しい位置に配置される。胚の頭尾方向および側方への折り畳みの結果、内胚葉で覆われた卵黄嚢腔の一部が胚に取り込まれ、原始腸が形成される。胚の頭側と尾側では、原始腸はそれぞれ前腸と後腸という管を形成する。中央部分である中腸は、卵黄管を介して一時的に卵黄嚢とつながっている。^{[ 13 ]}

前腸からは、食道、気管、肺芽、胃、および胆管入口より近位側の十二指腸が生じる。さらに、肝臓、膵臓、および胆道系は、十二指腸上部の内胚葉上皮の突出部として発達する。前腸上部は気管食道中隔によって後方の食道と前方の気管および肺芽に分かれているため、中隔の偏位は気管と食道の間に異常な開口部を生じさせる可能性がある。横隔膜に伸びる上皮性の肝索および胆道系は実質に分化する。造血細胞（出生前は出生後よりも肝臓に多く存在する）、クッパー細胞、および結合組織細胞は中胚葉に由来する。膵臓は腹側芽と背側芽から発生し、後に融合して最終的な膵臓を形成します。時には、2つの部分が十二指腸を取り囲み（輪状膵）、腸管の狭窄を引き起こします。^{[ 24 ]}

中腸は一次腸管ループを形成し、そこから遠位十二指腸が胆管入口まで伸びる。ループは横行結腸の近位3分の2と遠位3分の1の接合部まで続く。その頂点では、一次ループは卵黄管を介して卵黄嚢と一時的に開いたままになっている。第6週には、ループは急速に成長し、臍帯内に突出する（生理的ヘルニア）。第10週には、腹腔内に戻る。これらの過程が進行する間、中腸ループは反時計回りに270°回転する。この発達段階でよく見られる異常には、卵黄管の遺残、中腸が腹腔内に戻らないこと、腸回転異常、狭窄、および一部重複などがある。^{[ 13 ]}

後腸は横行結腸の遠位 3 分の 1 から肛門管の上部までの領域を形成する。肛門管の遠位部は外胚葉に由来する。後腸は総排泄腔の後部領域 (将来の肛門直腸管) に入り、尿膜は前部領域 (将来の尿生殖洞) に入る。尿直腸中隔が 2 つの領域を分け、この領域を覆う総排泄腔膜の崩壊により、肛門と尿生殖洞が外部とつながる。肛門管の上部は後腸の内胚葉に由来する。下部 (3 分の 1) は原腸周囲の外胚葉に由来する。総排泄腔の一部表面の原腸領域では、外胚葉が増殖して陥入し、肛門窩を形成する。その後、総排泄腔膜の変性により、肛門管の上部と下部の間に連続性が確立される。総排泄腔の後部領域の大きさの異常により、肛門の入口が前方に移動し、直腸膣瘻や直腸尿道瘻、および閉鎖症を引き起こす。^{[ 25 ]}

呼吸器系は、発生約4週目に前腸の腹壁に現れる肺芽から発達する。肺芽は気管と、気管支芽と呼ばれる2つの側方突起を形成し、気管支芽は5週目の初めに拡大して左右の主気管支を形成する。これらの気管支はさらに二次（葉）気管支を形成し、右側に3本、左側に2本（肺葉の数に相当）存在する。三次気管支は二次気管支から形成される。

喉頭の内壁は肺芽に由来するが、その軟骨と筋肉は第4および第6咽頭弓に由来する。^{[ 26 ]}

皮膚の表面層である表皮は外胚葉由来であり、より深層にある真皮は間葉由来である。

表皮の形成は発生2ヶ月目に始まり、4ヶ月目の終わりまでに最終的な構造を獲得する。外胚葉は分裂して、周皮と呼ばれる表面の平らな細胞層を形成する。さらに分裂が進むことで、表皮の各層が形成される。

真皮を形成する間葉組織は、以下の3つの供給源から得られる。

• 四肢や体壁の真皮を形成する間葉組織は、側板中胚葉に由来する。
• 背部の真皮を形成する間葉組織は傍軸中胚葉に由来する。
• 顔や首の真皮を形成する間葉は神経堤細胞に由来する^{[ 26 ]。}

第4週の終わりに、神経管の上部が将来の中脳（中脳）のレベルで頭側屈曲として腹側に曲がる。^{[ 27 ]}中脳の上には前脳（将来の前脳）があり、その下には菱脳（将来の後脳）がある。

頭蓋神経堤細胞は神経幹細胞として咽頭弓に移動し、そこで神経発生の過程を経てニューロンへと発達する。

視神経胞（後に視神経、網膜、虹彩となる）は、前脳の基底板に形成される。前脳の翼板は拡大して大脳半球（終脳）を形成し、基底板は間脳となる。最後に、視神経胞は成長して視神経突起を形成する。

妊娠3週目から8週目にかけて、顔と首が発達します。これらは外胚葉、中胚葉、内胚葉という3つの異なる層から構成されています。

第4週には咽頭弓が形成され、これは顔と首の主要構成要素となるため、胎児の身体的外観に寄与する。舌も第4週に発達し始める。^{[ 28 ]}

甲状腺もこの初期段階で形成され、7週目に留まる位置まで下降しますが、コロイドを生成し始める3ヶ月目までは機能しません。^{[ 29 ]}

鼻のくぼみは6週目にさらに深くなり、鼻嚢を形成し始めます。これらは脳の前方で成長し、口腔鼻腔膜によって口腔から分離し始めます。その後、両者をつなぐ膜は7週目に消失します。^{[ 29 ]}

内耳、中耳、外耳は、それぞれ異なる発生学的起源を持つ。

眼は第3週から第10週にかけて発達し始める。神経外胚葉、表面外胚葉、および眼周囲間葉が眼の発達に寄与する。^{[ 31 ]}

第4週の終わりに四肢の発達が始まります。四肢芽は体の腹外側に現れます。四肢芽は外胚葉の外層と、側板中胚葉の壁側層に由来する間葉からなる内側の部分で構成されています。四肢芽の遠位端にある外胚葉細胞は頂端外胚葉隆起を形成し、急速に増殖する間葉細胞の領域である進行帯を作り出します。軟骨（その一部は最終的に骨になります）と筋肉は間葉から発達します。^{[ 26 ]}