Emerging human pluripotent stem cell (hPSC)-based embryo models are useful for studying human embryogenesis. Particularly, there are hPSC-based somitogenesis models using free-floating culture that recapitulate somite formation. Somitogenesis in vivo involves intricately orchestrated biochemical and biomechanical events. However, none of the current somitogenesis models controls biochemical gradients or biomechanical signals in the culture, limiting their applicability to untangle complex biochemical-biomechanical interactions that drive somitogenesis. Herein, we develop a human somitogenesis model by confining hPSC-derived presomitic mesoderm (PSM) tissues in microfabricated trenches. Exogenous microfluidic morphogen gradients imposed on the PSM tissues cause axial patterning and trigger spontaneous rostral-to-caudal somite formation. A mechanical theory is developed to explain the size dependency between somites and the PSM. The microfluidic somitogenesis model is further exploited to reveal regulatory roles of cellular and tissue biomechanics in somite formation. This study presents a useful microengineered, hPSC-based model for understanding the biochemical and biomechanical events that guide somite formation.

The ultimate outcome of the gastrulation in mammalian development is a recognizable trilaminar disc structure containing organized cell lineages with spatially defined identities in an emerging coordinate system 1–4 . Despite its importance in human development, gastrulation remains difficult to study. Stem cell-based embryo models, including those that recapitulate different aspects of pre- and peri-gastrulation human development 5–15 , are emerging as promising tools for studying human embryogenesis 16–18 . However, it remains unclear whether existing human embryo models are capable of modeling the development of the trilaminar embryonic disc structure, a hallmark of human gastrulation. Here we report a transgene-free human embryo model derived solely from primed human pluripotent stem cells (hPSCs), which recapitulates various aspects of peri-gastrulation human development, including formation of trilaminar embryonic layers situated between dorsal amnion and ventral definitive yolk sac and primary hematopoiesis. We term this model the peri-gastrulation trilaminar embryonic disc (PTED) embryoid. The development of PTED embryoid does not follow natural developmental sequences of cell lineage diversification or spatial organization. Instead, it exploits both extrinsic control of tissue boundaries and intrinsic self-organizing properties and embryonic plasticity of the diverse peri-gastrulation-stage cell lineages, leading to the emergence of in vivo -like tissue organization and function at a global scale. Our lineage tracing study reveals that in PTED embryoids, embryonic and extraembryonic mesoderm cells, as well as embryonic and extraembryonic endoderm cells, share common progenitors emerging during peri-gastrulation development. Active hematopoiesis and blood cell generation are evident in the yolk sac-like structure of PTED embryoids. Together, PTED embryoids provide a promising and ethically less challenging model for studying self-organizing properties of peri-gastrulation human development.

SUMMARY Emerging human pluripotent stem cell (hPSC)-based embryo models are useful for studying human embryogenesis. Particularly, there are hPSC-based somitogenesis models using free-floating culture that recapitulate somite formation. Somitogenesis in vivo involves intricately orchestrated bio-chemical and -mechanical events. However, none of the current somitogenesis models controls biochemical gradients or biomechanical signals in the culture, limiting their applicability to untangle complex biochemical-biomechanical interactions that drive somitogenesis. Here we report a new human somitogenesis model by confining hPSC-derived presomitic mesoderm (PSM) tissues in microfabricated trenches. Exogenous microfluidic morphogen gradients imposed on PSM cause axial patterning and trigger spontaneous rostral-to-caudal somite formation. A mechanical theory is developed to explain the size dependency between somites and PSM. The microfluidic somitogenesis model is further exploited to reveal regulatory roles of cellular and tissue biomechanics in somite formation. This study presents a useful microengineered, hPSC-based model for understanding the bio-chemical and -mechanical events that guide somite formation.

Abstract The anterior-posterior axis of the mammalian embryo is laid down by the anterior visceral endoderm (AVE), an extraembryonic signaling center that is specified within the visceral endoderm. Current models posit that AVE differentiation is promoted globally by epiblast-derived Nodal signals, and spatially restricted by a BMP gradient established by the extraembryonic ectoderm. Here, we report spatially restricted AVE differentiation in bilayered embryo-like aggregates made from mouse embryonic stem cells that lack an extraembryonic ectoderm. Notably, clusters of AVE cells also form in pure visceral endoderm cultures upon activation of Nodal signaling, indicating that tissue-intrinsic factors can restrict AVE differentiation. We identify β-catenin activity as a tissue-intrinsic factor that antagonizes AVE-inducing Nodal signals. Together, our results show how an AVE-like population can arise through interactions between epiblast and visceral endoderm alone. This mechanism may be a flexible solution for axis patterning in a wide range of embryo geometries, and provide robustness to axis patterning when coupled with signal gradients.

Summary The anterior-posterior axis of the mammalian embryo is laid down by the anterior visceral endoderm (AVE), an extraembryonic signaling center that is specified within the visceral endoderm. Current models posit that AVE differentiation is promoted globally by epiblast-derived Nodal signals, and spatially restricted by a BMP gradient established by the extraembryonic ectoderm. Here, we report spatially restricted AVE differentiation in bilayered embryo-like aggregates made from mouse embryonic stem cells that lack an extraembryonic ectoderm. Notably, clusters of AVE cells also form in pure visceral endoderm cultures upon activation of Nodal signaling, indicating that tissue-intrinsic factors restrict AVE differentiation. We identify Wnt signaling as a tissue-intrinsic factor that antagonizes AVE-inducing Nodal signals. Together, our results suggest that interactions between epiblast and visceral endoderm alone enable local AVE differentiation in the absence of graded BMP signals. This may be a flexible solution for axis patterning in a wide range of embryo geometries.