The emergence of multiple axes is an essential element in the establishment of the mammalian body plan. This process takes place shortly after implantation of the embryo within the uterus and relies on the activity of gene regulatory networks that coordinate transcription in space and time. Whereas genetic approaches have revealed important aspects of these processes1, a mechanistic understanding is hampered by the poor experimental accessibility of early post-implantation stages. Here we show that small aggregates of mouse embryonic stem cells (ESCs), when stimulated to undergo gastrulation-like events and elongation in vitro, can organize a post-occipital pattern of neural, mesodermal and endodermal derivatives that mimic embryonic spatial and temporal gene expression. The establishment of the three major body axes in these ‘gastruloids’2,3 suggests that the mechanisms involved are interdependent. Specifically, gastruloids display the hallmarks of axial gene regulatory systems as exemplified by the implementation of collinear Hox transcriptional patterns along an extending antero-posterior axis. These results reveal an unanticipated self-organizing capacity of aggregated ESCs and suggest that gastruloids could be used as a complementary system to study early developmental events in the mammalian embryo. Cultures grown from small aggregates of mouse embryonic stem cells can be induced to organize spatial and temporal patterns of gene expression that parallel those of the early embryo, offering a potentially useful system for studying early development.

Three-dimensional organoid constructs serve as increasingly widespread in vitro models for development and disease modeling. Current approaches to recreate morphogenetic processes in vitro rely on poorly controllable and ill-defined matrices, thereby largely overlooking the contribution of biochemical and biophysical extracellular matrix (ECM) factors in promoting multicellular growth and reorganization. Here, we show how defined synthetic matrices can be used to explore the role of the ECM in the development of complex 3D neuroepithelial cysts that recapitulate key steps in early neurogenesis. We demonstrate how key ECM parameters are involved in specifying cytoskeleton-mediated symmetry-breaking events that ultimately lead to neural tube-like patterning along the dorsal-ventral (DV) axis. Such synthetic materials serve as valuable tools for studying the discrete action of extrinsic factors in organogenesis, and allow for the discovery of relationships between cytoskeletal mechanobiology and morphogenesis.

Abstract When stimulated with a pulse from an exogenous WNT pathway activator, small aggregates of mouse embryonic stem cells (ESCs) can undergo embryo-like axial morphogenesis and patterning along the three major body axes. However, these structures, called gastruloids, currently lack the anterior embryonic regions, such as those belonging to the brain. Here we describe an approach to generate gastruloids that have a more complete antero-posterior development. We used bioengineered hydrogel microwell arrays to promote the robust derivation of mouse ESCs into post-implantation epiblast-like (EPI) aggregates in a reproducible and scalable manner. These EPI aggregates break symmetry and axially elongate without external chemical stimulation. Inhibition of WNT signaling in early stages of development leads to the formation of gastruloids with anterior neural tissues. Thus, we provide a new tool to study the development of the mouse after implantation in vitro , especially the formation of anterior neural regions.

The difficulty of studying post-implantation development in mammals has sparked a flurry of activity to develop in vitro models, termed embryoids, based on self-organizing pluripotent stem cells. Previous approaches to derive embryoids either lack the physiological morphology and signaling interactions, or are not yet optimal for modeling post-gastrulation development. Here, we report a bioengineering-inspired approach aimed at addressing this gap. A high-throughput cell aggregation approach was employed to simultaneously coax mouse embryonic stem cells (ESCs) into hundreds of uniform epiblast-like (EPI) aggregates in a solid matrix-free manner. When co-cultured with mouse trophoblast stem cell (TSC) aggregates, the resulting hybrid structures initiate gastrulation-like events and undergo axial morphogenesis to yield structures, termed EpiTS embryoids , with a pronounced anterior development, including brain-like regions. We identify the presence of an epithelium in EPI aggregates as the major determinant for the axial morphogenesis and anterior development seen in EpiTS embryoids . Our results demonstrate the potential of EpiTS embryoids to study peri-gastrulation development in vitro .

Organoids are powerful models for studying tissue development, physiology, and disease. However, current culture systems disrupt the inductive tissue-tissue interactions needed for the complex morphogenetic processes of native organogenesis. Here we show that mouse embryonic stem cells (mESCs) can be coaxed to robustly undergo the fundamental steps of early heart organogenesis with an in vivo -like spatiotemporal fidelity. These axially patterned embryonic organoids support the generation of cardiovascular progenitors, as well as first and second heart field compartments. The cardiac progenitors self-organize into an anterior domain reminiscent of a cardiac crescent before forming a beating cardiac tissue near a putative primitive gut-like tube, from which it is separated by an endocardial-like layer. These findings unveil the surprising morphogenetic potential of mESCs to execute key aspects of organogenesis through the coordinated development of multiple tissues. This platform could be an excellent tool for studying heart development in unprecedented detail and throughput.

Establishment of the three body axes is a critical step during animal development. In mammals, genetic studies have shown that a combination of precisely deployed signals from extraembryonic tissues position the anteroposterior axis (AP) within the embryo and lead to the emergence of the dorsoventral (DV) and left-right (LR) axes. We have used Gastruloids, embryonic organoids, as a model system to understand this process and find that they are able to develop AP, DV and LR axes as well as to undergo axial elongation in a manner that mirror embryos. The Gastruloids can be grown for 160 hours and form derivatives from ectoderm, mesoderm and endoderm. We focus on the AP axis and show that in the Gastruloids this axis is registered in the expression of T/Bra at one pole that corresponds to the tip of the elongation. We find that localisation of T/Bra expression depends on the combined activities of Wnt/β-Catenin and Nodal/Smad2,3 signalling, and that BMP signalling is dispensable for this process. Furthermore, AP axis specification occurs in the absence of both extraembryonic tissues and of localised sources of signalling. Our experiments show that Nodal, together with Wnt/β-Catenin signalling, is essential for the expression of T/Bra but that Wnt signalling has a separable activity in the elongation of the axis. The results lead us to suggest that, in the embryo, the role of the extraembryonic tissues might not be to induce the axes but to bias an intrinsic ability of the embryo to break its initial symmetry and organise its axes.