人类胎盘滋养层细胞的分化与妊娠相关疾病

人类胎盘滋养层细胞的分化与妊娠相关疾病

王红梅研究员中国科学院动物研究所北京 100101

摘要

“胎盘是人类了解得最少的人类器官，”美国国家儿童健康和人类发展研究所（National Institute of Child Health and Human Development，NICHD）的主管Alan Guttmacher博士说，“在科学界人们大多忽视了胎盘的存在。”但无可争辩的是，胎盘不仅对妊娠期间孕妇和胎儿的健康尤为重要，而且对分娩后母亲和后代终生的健康也具有极其重要的作用。在胎儿发育过程中，胎盘既作为胎儿寄生于母体的中介，又在一定程度上充当了胎儿的肾脏、肝脏、胃肠道以及呼吸、内分泌和免疫等系统。但目前对人胎盘的了解却惊人的缺乏。发育生物学通常关注个体的发育而忽略胎盘的发育，细胞生物学则很少将滋养层细胞作为研究体系来探讨胎盘内部多种非常重要并有趣的生物学事件，这些因素导致很长一段时间里关于胎盘的研究仍停留在组织形态学观察的层面。随着现代生物学的不断发展，胎盘生物学的研究已经从组织形态学层面上升到细胞生物学和分子生物学层面，并逐渐走向组学和系统生物学时代。人类对胎盘认识的深入也必将为妊娠相关疾病的诊断与治疗以及健康婴儿的诞生提供重要的理论基础。

1.人类胎盘的主要功能

胎盘作为胎儿与母体进行营养物质和气体交换的场所，是哺乳动物进化出来的一个临时内分泌器官[1-3]。胎盘的最主要功能是提供并维持胚胎最优的生长环境。具体表现为两个方面：一是优良环境的建立，即母体子宫与胎儿血液循环和物质交换系统的建立；二是这一环境的维持，即胎儿生长微环境的维持。

母体与胎儿物质交换依赖于胎儿和母体血液循环双向联系的建立。一方面，胎盘绒毛树的生长极大增加了胎儿与母体的接触表面积，绒毛树内部发生的胎儿血管通过绒毛的半透屏障与母血进行物质交换；另一方面，蜕膜化的子宫内膜血管的通透性和内径都会显著增加，血管壁被胎盘滋养层细胞所改建，使得营养丰富的动脉血更容易地灌注到绒毛间隙中，从而保证胎盘绒毛树最大程度地与母血进行物质交换[4]。

胎儿生长微环境的维持则表现为妊娠状态的维持和胎儿免疫耐受的维持。妊娠状态的维持主要依靠孕酮对子宫内膜蜕膜化状态的维持和对宫缩反应的抑制作用来实现。孕酮由卵巢黄体大量合成和分泌。在正常月经周期中，黄体在排卵之后两周退化，孕酮水平也随之下降。在妊娠初期，胎盘分泌的人绒毛膜促性腺激素（human chorionic gonadotropin, hCG）能够延长黄体分泌孕酮的周期[5]。这种黄体响应hCG分泌孕酮的机制将会持续到妊娠的第5-7周，之后胎盘代替黄体发挥分泌孕酮的功能[6]。胎盘除了分泌hCG和孕酮之外，还会分泌多种与妊娠和胎儿生长发育相关的激素，共同调节和维持胎儿生长微环境的稳态。

胎盘在母-胎免疫耐受的建立和维持中发挥重要作用。对母亲而言，胎儿是半同种异体，因此，成功的妊娠需要母体免疫系统必须产生和维持对胎儿的免疫耐受。在母-胎界面，胎盘滋养层细胞是母体与胎儿之间的第一道屏障，同时绒毛外细胞滋养层细胞向蜕膜局部侵袭，参与胎盘血管重塑。母体子宫蜕膜中富集大量的免疫细胞，包括50-70%的子宫自然杀伤细胞（uNK）、10-20%的单核巨噬细胞（MФ）、10-15%的T细胞以及少量的树突状细胞（DC）

与NKT细胞等，蜕膜中的免疫细胞不仅组成与外周血中的不同，其表型亦迥异，在母-胎免疫耐受中起重要的调节作用。人胎盘滋养层细胞表达独特的组织相容性抗原分子（MHC），即白细胞抗原（HLA），包括HLA-C、-E和-G，而uNK细胞表面则表达识别这些HLA抗原的受体，二者的识别可抑制uNK细胞的细胞毒性。近年来的研究亦显示蜕膜局部巨噬细胞以M2型为主，M2型巨噬细胞分泌多种细胞因子维持母-胎耐受并参与胎盘发育。有一类特殊的T细胞称为辅助性T细胞（helper T cell，Th），母-胎界面存在Th1/Th2细胞因子间的平衡，Th1细胞分泌的细胞因子例如干扰素-γ（IFN-γ）主要促进细胞免疫应答，而Th2细胞分泌的细胞因子例如白介素-4 （IL-4）主要诱导体液免疫应答和免疫球蛋白的产生。一般认为Th2细胞因子对成功的妊娠起促进作用，而Th1细胞因子则起抑制作用，二者的平衡对妊娠维持至关重要。近年来Th1/Th2理论逐渐演化为Th1/Th2/Th17/Treg理论，其中Th1与Th17细胞主要起促炎作用，而Th2与Treg细胞具有抗炎作用，妊娠期母-胎界面Th2型优势与Treg扩增的格局对母-胎免疫耐受与正常妊娠的维持至关重要[7]。

2.人类胎盘滋养层细胞的分化与妊娠相关疾病

胎盘发育是一个非常复杂的过程，它起始于胚胎的第一次细胞命运决定。胚胎在8细胞时期开始建立极性，各个卵裂球发生不对称分裂从而形成具有不同特征的两群细胞——具有上皮样极性的滋养外胚层以及被滋养外胚层包裹的内细胞团。在这一阶段，滋养外胚层细胞就已经高度特化并将在未来发育成胎盘。通过对小鼠早期胚胎发育的研究，已经在遗传学基础上阐明了控制桑椹胚时期细胞定向分化为这两群细胞的关键转录因子。Oct4和Sox2对Nanog表达的促进作用是内细胞团维持多能性的关键[8]。而滋养层细胞则降低了Oct4和Nanog的表达，转而表达Cdx2和Eomes[9, 10]。其中Cdx2的表达与细胞极性的建立有着密切联系，是桑椹胚的卵裂球分化为滋养外胚层最重要的转录因子[9, 11-14]。

囊胚沿着输卵管进入子宫，从透明带中孵化出来，植入接受态的子宫内膜[15]。现有的关于人类胚胎植入的研究都是基于对与人类近缘的高等灵长类（恒河猴和狒狒等）以及罕见的妊娠妇女子宫切除病例的结果得来的[16]。植入的第一步是定位。大概在受精后6-7天，囊胚在子宫壁上滚动，直到囊胚和子宫内膜上皮细胞互相识别到某个适合植入的位置停下来，这个位置就是胚胎植入位点[17]。这一时期的囊胚壁主要由最外层的滋养层细胞构成的滋养外胚层和紧贴滋养层的内细胞团来源的胚外中胚层组成，将来整个囊胚壁会分化形成胎盘；内细胞团则会分化成胎儿、脐带、卵黄囊和尿囊[18]。胚胎定位之后发生胚胎粘附。滋养层细胞开始与相接触的子宫蜕膜细胞建立联系，并进入最后一步——侵润[19]。从形态学上描述这一过程，与内膜细胞接触的滋养层细胞会先发生初级合体化形成一个多核的初级合体滋养层（syncytiotrophoblast, STB）。目前领域内的主要观点认为人类胚胎植入过程中，初级合体滋养层是胚胎植入初期介导胚胎侵入子宫内膜上皮并到达子宫内膜基质的重要“引导者”

[20]。它降解内膜细胞间的连接复合物从而打开细胞间隙，使合体滋养层以致整个胚胎种植入子宫内膜[21, 22]。之后这层合体滋养层还可能与早期子宫内膜腺上皮以及子宫内膜的毛细血管内皮的侵蚀有关，为早期胚胎在建立完备的母-胎循环之前提供营养物质[23]。考虑到初级合体滋养层是最早与母体接触并建立母-胎联系的胎儿组织，可以推测初级合体滋养层具有某些独特的功能从而引起母体的免疫耐受，初级合体化的异常极有可能造成母体对胎儿的识别异常，引发复发流产等妊娠疾病。未与内膜接触的滋养层细胞不会经历初级合体化过程而成为细胞滋养层细胞（cytotrophoblast cells, CTBs）。受精后7-8天的阶段被称作胎盘发育的前腔隙时期，因为此时的STB还是一个均质且连续的合胞体，内部未出现后期会形成的腔隙结构。在受精后第8天，植入位点处肥厚的STB内部开始出现空泡样结构，这些空泡很快就增大并互相贯通形成一个完整的腔隙，标志着胎盘发育进入了腔隙时期。在妊娠第