初识“生命树”—人类胎盘发育与滋养层细胞分化

经过紧锣密鼓的筹备，我们“生命树之谜”推出了第一期。

相信经过前期的预热，大家一定对生命树产生了浓厚的兴趣，那么小编就带领大家一起认识一下生命树吧。

“生命树”一词拆开来讲即是“生命”“树”，为新生命的发育提供保障同时又形如大树。在人体中，胎盘就是生命之树。    

那胎盘是神马尼？

胎盘是哺乳动物妊娠期特有的临时性器官，对母体的健康和胎儿的发育具有至关重要的意义。胎盘是一个多功能的器官，它首先是母胎间营养交换的场所，承担母胎间的营养物质及代谢废物的交换；胎盘还是一个临时的内分泌器官，所分泌的多种激素、生长因子、细胞因子等，对妊娠维持有重要作用；此外，胎盘是妊娠期胎儿免疫保护的重要屏障，可保护胎儿免受母体免疫系统攻击；同时，胎盘还是妊娠期母胎之间适应性调节的重要纽带，是母体发生妊娠适应性的调节主体。

胎盘是怎么发育的呢？

人类胎盘主要由囊胚外围的滋养外胚层细胞发育而成。这些滋养层细胞在孕早期侵入子宫壁，随后发育成包含丰富胎儿血管和绒毛滋养层组织的复杂树枝状结构（图1）。在人中，来源于滋养外胚层的高增殖、未分化的原始细胞滋养层细胞可以通过两条路径发生分化。第一条路径是单核的细胞滋养层细胞融合形成多核的合胞体滋养层细胞，并覆盖在漂浮绒毛的表面。合体滋养层主要负责妊娠相关激素的分泌，母胎间营养物质和代谢废物的交换。第二条分化途径是细胞滋养层细胞通过增殖形成锚定于子宫壁上的锚定绒毛。锚定绒毛上滋养层细胞柱中的细胞滋养层细胞（CTB, cytotrophoblast）可以分化为绒毛外滋养层细胞（EVT, extravillous trophoblast），并向子宫蜕膜迁移。一部分绒毛外滋养层细胞侵润至子宫内膜的深层，甚至于子宫肌层的三分之一，从而把胎儿锚定于母体子宫内，被称为间质滋养层细胞（iEVT, interstitial trophoblast）。另外一部分绒毛外滋养层细胞获得血管内皮细胞样的特征，侵入子宫螺旋动脉并取代母体血管内皮细胞，将子宫螺旋动脉改建成低阻抗、高通量的子宫-胎盘动脉血管，被称为血管内滋养层细胞（enEVT, endovascular trophoblast）。 

 图1. 人类成熟胎盘基本结构

接下来呢？                       

                                滋养层细胞要燥起来了

滋养层细胞合体化

在绒毛滋养层路径中，单核的细胞滋养层融合成多核的合胞体滋养层，覆盖在胎盘绒毛上。合胞体滋养层首先形成于囊胚植入期间。囊胚接触并侵入子宫上皮时，相邻的滋养层细胞之间 即 可 形成最早的合体滋养层细胞，即初级合体滋养层细胞（图2）。此时初级细胞滋养层细胞位于初级合体滋养层细胞内侧，尚未与母体环境接触。植入后11天左右，合体滋养层完全覆盖于已植入的囊胚表面，初级合体化不可逆地停止。在随后的妊娠过程中，漂浮绒毛中已存在的合体滋养层可融合其覆盖的单核细胞滋养层细胞（图3），这一过程称为次级合体化。合体滋养层通过次级合体化过程实现其后续的扩张、维持与更新。这些合体滋养层细胞参与母胎界面上的气体、营养物质以及代谢废物的交换。

图2. 滋养层细胞的初级合体化

一般认为，滋养层细胞分化产生具有内分泌功能的合体滋养层是膜融合的结果。滋养层细胞中cAMP水平的升高是膜融合的起始信号。腺苷酸环化酶活化导致cAMP水平升高，进而激活蛋白激酶A（PKA）。蛋白激酶A将激活相关转录因子（例如GCM-1）及其靶基因（例如synctytins）的表达，诱导合体化并增加hCG的分泌。Syncytins是一种由人内源性逆转录病毒基因（HERVs）编码的膜蛋白，这些基因基本上只在胎盘中表达。在胎盘特异性的HERVs中, Syncitin-1定位于合体滋养层，并在整个妊娠过程中持续表达。另一个来自于HERV-FRD家族的胎盘特异性HERV，Syncytin-2，也是一个促进细胞融合的蛋白。Syncytin-2仅表达于与合体滋养层紧邻的细胞滋养层的细胞膜上；其特定受体MFSD2A属于具有10-12个跨膜结构域的假定糖转运子家族，主要表达于合体滋养层。二者的结合可诱导细胞滋养层细胞与合体滋养层细胞的融合，其作用较syncytin-1更加具有决定性。在成纤维细胞系中分别转染syncytin-2和MFSD2A，可诱导二者的融合。syncytin-2的表达在原代细胞滋养层分化过程中上调，并同样依赖于GCM1。

图3. 漂浮绒毛横断面基本结构

合体滋养层细胞不具有增殖能力，因此需要其下层的细胞滋养层细胞在妊娠过程中不断地融合以形成新的合体滋养层，同时老化的合体滋养层会不断的脱落掉以实现自我更新。合体结节就是老化的合体滋养层细胞形成的。相关的研究已经证实，合体滋养层中的一些细胞核会被膜包裹形成囊泡，最终产生合体结节，并释放至母体循环系统中；从正在不断更新的合体滋养层细胞中把衰老的核清除掉大概需要3-4周的时间。也有观点称在整个妊娠过程中合体滋养层中的细胞核一直积累，合体层的异质性就是其中的细胞核处于不同分化阶段的表现。

然后呢？

滋养层细胞向侵润方向分化

锚定绒毛的主要功能是将胎盘锚定到子宫内壁上。在锚定绒毛锚定位点的近端存在一部分快速增殖的细胞滋养层细胞，参与了胎盘绒毛尖端和母体蜕膜之间细胞柱桥梁的形成。对人胎盘和蜕膜组织的体外培养研究发现，与蜕膜接触可以启动细胞滋养层快速增殖的信号，使细胞滋养层穿透合体层，形成滋养层细胞柱。细胞柱远端的细胞滋养层细胞会跳出正常的细胞周期，从细胞柱分离出来，并与蜕膜的细胞外基质相互作用，进一步分化形成具有侵润能力的iEVT和参与子宫螺旋动脉改建的enEVT（图4）。

图4. 母胎界面上滋养层细胞的侵润及对血管的改建

iEVT的侵润涉及细胞增殖、基质降解、迁移与分化等过程，受到多种因素的严格调控。现已发现，iEVT应答多种自分泌与旁分泌因子，包括细胞因子、生长因子、蛋白酶等，调节iEVT在子宫蜕膜及肌层中的侵润。子宫肌层中MMP-2、MMP-9和uPA的表达水平低于蜕膜，可能控制iEVT向子宫肌层侵润的深度。许多激素对EVT侵润具有调节作用，包括hCG、甲状腺激素、PlGH、促肾上腺皮质激素释放激素、GnRH等。免疫细胞产生的多种细胞因子也对iEVT侵润起调节作用，其中IL-1b、IL-8、IL-15等细胞因子促进侵润，而IL-10、IL-12、IL-24等细胞因子抑制侵润。上述内分泌、自分泌和旁分泌因子的时空精细调节，保证了滋养层细胞的侵润限制在整个子宫内膜与子宫肌层的上三分之一处。

氧分压被认为是滋养层细胞增殖与分化平衡中的一个关键因素。Genbacev等人证明氧分压可调节滋养层细胞的增殖行为，并促使其向侵润途径分化。利用从妊娠5-8周绒毛中分离得到的细胞滋养层细胞与锚定绒毛外植体，他们证明较低的氧浓度（2%氧气或14mmHg）可以刺激细胞滋养层细胞进入细胞周期、开始活跃增殖，从而阻止其向侵润途径分化。这一观点随后被来自于多个滋养层细胞系和胎盘外植体的证据所支持。而另一些结果表明，低氧压可能抑制滋养层细胞的增殖。目前，氧分压在滋养层细胞增殖与侵润中的平衡作用尚有争议。

iEVTs最终分化为滋养层巨细胞。与合体滋养层细胞相似，胎盘床巨细胞可以分泌hPL和hCG，这说明，胎盘床巨细胞能在正常妊娠维持中发挥作用。此外，这些巨细胞还产生蛋白酶抑制剂，可以抑制EVT过度侵润至子宫肌层的深部。

滋养层细胞对子宫螺旋动脉的改建

正常胎盘发育期间，母体子宫螺旋动脉经历广泛的改建，是母体对妊娠的重要适应过程。子宫螺旋动脉的改建是一个血管拟态的过程，由于侵入的滋养层细胞的粘附分子表达发生改变，细胞由上皮特性转化为内皮特性，因此该过程也称为血管内转换或假性血管发生。螺旋动脉改建过程的形态学特征包括血管平滑肌细胞脱离、内皮细胞肿胀、血管扩张、绒毛外滋养层细胞侵润、内皮细胞丢失、血管平滑肌细胞丢失、纤维蛋白沉积、血管内部出现EVT、内皮更新等。

enEVT可能具有两种起源，分别为iEVT和enEVT栓（图5）。妊娠早期，蜕膜浅表的子宫螺旋动脉被iEVT包围。这些iEVT沿着螺旋动脉分布，并开始打乱血管平滑肌细胞的正常排布。当其侵润进入动脉腔后，将转变成血管内皮细胞样的表型，即转变为enEVT。然而，已有研究证明，这种由iEVT起源的转变过程仅发生于蜕膜浅表的螺旋动脉区，深部的螺旋动脉的改建则涉及enEVT的另外一种起源，即enEVT栓，指血管内滋养层细胞沿血管腔逆行、迁入螺旋动脉后形成的栓样结构。enEVT可以在母体血管内模拟血管内皮细胞的性状，下调了上皮细胞的标志物E-cadherin和α6β4，上调了内皮细胞标志物VE-cadherin、PECAM、NCAM（CD56）以及整合素α5β1、α1β1和αVβ3的表达。enEVT取代原有血管内皮细胞过程与假性血管发生类似。

图5. 子宫螺旋动脉改建

螺旋动脉的改建过程受到多种类型的局部细胞与因子的调节作用。蜕膜NK细胞（dNK）与侵润性的绒毛外滋养层细胞均参与改建过程的调控。妊娠早期，蜕膜基质细胞的30-40%为淋巴细胞，而dNK占淋巴细胞总数的70%。人类的dNK细胞与外周血NK细胞具有不同的表型与细胞特性，外周血NK细胞的表面分子标志主要为CD56^dimCD16⁺，而dNK是CD56^brightCD16^-的淋巴细胞。与外周血NK细胞相比，dNK的细胞杀伤能力较低，但产生大量细胞因子与促血管生长因子，具有促血管生成和血管改建能力。

dNK细胞参与螺旋动脉改建的起始过程。妊娠早期，dNK细胞激活并聚集在螺旋动脉周围（图5），可能参与螺旋动脉平滑肌细胞与内皮细胞的降解与清除。血管发育接近尾声时，dNK细胞数量开始降低。有研究发现妊娠早期（8-10周）分离的dNK的条件培养基能够破坏螺旋动脉的血管平滑肌层，导致平滑肌层分离，并使平滑肌细胞形态变圆。这一现象说明dNK细胞可能通过分泌相关因子，改变平滑肌细胞的形态，进而破坏血管肌层结构，导致血管平滑肌层的组织结构紊乱、使血管平滑肌细胞远离血管腔并向蜕膜基质迁移。

滋养层细胞的分化是胎盘维持其正常功能的重要基础。向合体化方向的分化保证了胎盘的物质交换和内分泌；向侵润方向的分化保证了胎儿和胎盘的锚定；对子宫血管的改建则保证母胎界面充足的血流灌注，确保胎儿的正常发育。胎盘发育受到母胎界面上诸多因素的影响。母胎界面上存在多种细胞类型（图4），包括滋养层细胞、蜕膜细胞、血管内皮细胞和血管平滑肌细胞，以及多种免疫细胞（dNK细胞、巨噬细胞、T细胞等）。这些细胞间的动态、精细的互作形成了复杂的母胎界面微环境，是胎盘发育的重要生理保障。

胎盘是联系胎儿和母体的核心器官，其发育不良被认为是多种妊娠期疾病重要诱因。滋养层细胞合体化、侵润、以及改建血管能力的不足广泛地表现于子痫前期、胎盘植入、妊娠糖尿病以及胎儿生长受限等重大妊娠疾病中，也是上述疾病的重要病理特征。因此，对于胎盘滋养层细胞分化的研究对于保障母胎健康具有积极意义。但是，由于滋养层细胞分化微环境的复杂性，目前调控滋养层细胞分化的具体分子机制尚不清楚。2015年，美国NIH启动了“人类胎盘研究计划”，突显了胎盘研究对于人类健康的重要意义。

下期我们将讲解一下人类胎盘滋养层干细胞方面的知识，大家多多关注奥！

参考文献：

     1.Ji L, Brkić J, Liu M, Fu G, Peng C, Wang YL. Placental trophoblast cell  differentition: physiological regulation and pathological relevance to preeclampsia.Mol Aspects Med. 2013; 34(5):981-1023.

     2.Pollheimer J, Knöfler M. The role of the invasive, placental trophoblast in human pregnancy. Wien Med Wochenschr. 2012; 162(9-10):187-190.

     3.Genbacev O, Zhou Y, Ludlow JW, Fisher SJ. Regulation of human placental development by oxygen tension. Science. 1997; 277(5332):1669-1672.

责任编辑：刘明 刘娟

生命树之谜：

中国科学院动物研究所生殖病理学研究组

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