網(wǎng)上熱議能不能、該不該吃胎盤的時候，有人說胎盤是一坨“臟乎乎的”“惡心”的“醫(yī)療垃圾”。其實，作為我們來到人間的第一站，胎盤的發(fā)育決定著胎兒的生長。要解開胎盤發(fā)育的謎團，第一步，就是在體外培養(yǎng)一個胎盤。
胎盤是哺乳動物的新生命在這個世界上的第一個落腳之處（圖1）。它伴隨著胎兒的降生、成長，直到這個新生的幼崽離開母腹，親自吸入第一口空氣，胎盤便被排出母體，完成了自己的使命?？上攵鳛橐粋€僅存在于母腹中的臨時性器官，人們要觀察它、研究它是非常困難的。
但是，胎盤的生長直接關(guān)系到胎兒的發(fā)育。許多孕早期胎停的病例，就與胎盤發(fā)育不良有關(guān)?？茖W(xué)家們希望在體外模擬胎盤的生理過程，在他們的不懈努力之下，現(xiàn)在，我們已經(jīng)能高效培育人工胎盤細胞，并讓它們“懷孕”了。
圖1. 人類子宮中的胎盤丨來源：維基百科
胎盤來源于胎兒，而非母體，它是哺乳動物為了生存發(fā)育而形成的一種臨時性器官，起著連接母體、攝取營養(yǎng)、保護自己的作用，擔(dān)負(fù)著母親與胎兒之間物質(zhì)交流的重要使命。
作為母體和胎兒之間物質(zhì)的“過路衛(wèi)士”，胎盤幫助胎兒從母親的血液中獲取營養(yǎng)和氧氣，并移走子宮中的廢物。同時，胎盤還可以合成多種酶、細胞成長因子和激素，促進胎兒在子宮中的發(fā)育。
此外，胎盤的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可以有效屏蔽病原體和毒素等來自外界的侵害，是保護胎兒的第一道屏障。而來自母體的免疫球蛋白IgG則是唯一可以通過胎盤的免疫球蛋白——它能保護出生后完全沒有抵抗力的嬰兒，發(fā)揮著活體防御的功能。
如果胎盤功能不正常，媽媽和胎兒的健康都會受到影響，甚至威脅到生命安全。因此，研究這種臨時器官就顯得尤為必要。
圖2.受精卵形成并分化為胚胎和胎盤的過程。丨來源http://www.400jk.com/60000/51269.shtml
五個階段：1，受精時，精細胞的核與卵細胞的核融合成為受精卵；2，受精后大約36小時卵子便開始一次分裂，成為兩個細胞；3，受精后大約72小時便變成16個細胞，幾天之后細胞團就清理到子宮內(nèi)；4，4周后，胚胎浸泡在充滿液體的囊中，心臟開始挑動，大腦開始發(fā)育；5，5周后，胚胎大約有蘋果核大，開始出現(xiàn)將會變成上肢和下肢的胚芽，局部開始萎縮。
胎盤為什么會有這么奇妙的屏障功能？科學(xué)家認(rèn)為，這一定與構(gòu)成它的細胞有關(guān)。隨著分子生物學(xué)的進步，人們對胎盤細胞群的構(gòu)成和由來有了進一步的認(rèn)識——胎盤細胞群并不只是由一種細胞構(gòu)成的，而是可以分為三類：胎盤干細胞、胎盤合胞體滋養(yǎng)層細胞、絨毛外滋養(yǎng)層細胞。
卵子和精子結(jié)合形成受精卵之后，受精卵就開始快速分裂增殖，當(dāng)形成32個左右的細胞團時，我們稱其為桑椹胚；桑椹胚進一步發(fā)育，細胞開始分化，形成囊胚，一些個體較大的細胞，聚集在囊胚一側(cè)，稱為內(nèi)細胞團，將來發(fā)育成胎兒的各種組織。而另一些個體較小的細胞，沿透明帶內(nèi)壁擴展和排列的，稱為滋養(yǎng)層細胞，它們將來發(fā)育成胚膜和胎盤。這時的滋養(yǎng)層細胞也被稱之為胎盤干細胞。
圖3. 來源 http://mt.sohu.com/20160602/n452440726.shtml
隨著囊胚的繼續(xù)發(fā)育，內(nèi)部細胞團經(jīng)過分化生成身體的各個器官，如心臟、肝臟、骨骼和脂肪等等；同時外部的胎盤干細胞也分化發(fā)育成胎盤。所謂分化，就是指同一來源的細胞逐漸產(chǎn)生出形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能特征各不相同的細胞類群的過程。
胚胎發(fā)育至13~21日時，胎盤的主要結(jié)構(gòu)——絨毛——逐漸形成（圖4）。絨毛的最外層覆蓋著胎盤合胞體滋養(yǎng)層細胞。每一個大的合胞體滋養(yǎng)層細胞都由多個胎盤干細胞融合而成，含有多個細胞核，這類細胞的形成，有效地減少了細胞與細胞之間的通道，可以最大程度阻擋有害物質(zhì)進入胎兒體內(nèi)，因此合胞體滋養(yǎng)層細胞在胎盤中是起屏障作用的細胞層。
此后，絨毛持續(xù)發(fā)育，絨毛內(nèi)形成血管形成，建立起胎兒-胎盤循環(huán)。與此同時，絨毛內(nèi)部的胎盤干細胞，分化成形狀不規(guī)則、有小刺突的絨毛外滋養(yǎng)層細胞，它們能幫助胎盤絨毛著床并定植在母體的子宮內(nèi)膜上。這種細胞具有非常強的侵入性，它可以從胎盤絨毛的尖端浸潤至母體的子宮內(nèi)膜，再進一步侵入子宮內(nèi)膜螺旋動脈，使母體的動脈由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭鎻垹顟B(tài)，以此使母體的血液更快更多地供給胎盤，幫助胎兒成長。這種作用在胎兒的生長后期尤為明顯。
圖5.絨毛內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)示意圖丨來源：維基百科
合胞體滋養(yǎng)層細胞與絨毛外滋養(yǎng)層細胞，二者都是在胎盤形成的過程中由胎盤干細胞而來，二者相輔相成，具有不同的功能，共同構(gòu)成了胎盤中重要的部分。我們可以這樣理解：合胞體滋養(yǎng)層細胞的形成是為了盡可能保護胎兒，而絨毛外滋養(yǎng)層細胞的作用則是為了胎兒能更好地從母體獲得營養(yǎng)。人類生命誕生的神奇之處在這兩種細胞的分化之中盡顯無疑。
胎盤僅存在于母體妊娠期間，直接研究人體胎盤，不僅難度大、耗時長，而且很可能威脅到胎兒的健康。因此，以往研究胎盤物質(zhì)運輸、胎盤藥物透過性、胎盤發(fā)育等課題，主要依賴于動物模型和實驗室生長的人類胎盤細胞。
雖然這些方法已經(jīng)為我們提供了許多有用的信息，但是想要模擬真實的人類胎盤的發(fā)育過程，依然困難重重。如何有效而且快捷地在體外進行與胎盤相關(guān)的研究，一直是生物學(xué)界長期存在的難點。
為了更廣泛、更深入地研究胎盤的發(fā)育和功能，目前科學(xué)家們主要通過以下三種途徑獲得能在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的人類胎盤細胞。
第一種途徑，是從母體獲得成熟的或未成熟的胎盤，再從這些胎盤的組織中分離初代胎盤細胞，學(xué)術(shù)上稱之為“滋養(yǎng)層細胞”，也就是構(gòu)成胎盤絨毛的細胞群。但是，這些從母體組織上分離得到的胎盤細胞，只能在體外短暫培養(yǎng)，而且不能分裂繁殖傳代，所以無法用于復(fù)雜的實驗。
直到2019年，日本東北大學(xué)的研究者們才找到了合適的培養(yǎng)基，使此類細胞的長期體外培養(yǎng)成為可能。但胎盤組織來源有限，且受限于相應(yīng)的倫理問題，從母體胎盤組織獲得細胞的方法注定無法得到廣泛的推廣。
第二種途徑是使用惡性程度很高的絨毛膜癌細胞。由于這種細胞來自于孕卵的滋養(yǎng)層成分，所以和正常的胎盤細胞具有十分相似的性質(zhì)。同時，又因為這種細胞亦屬于癌細胞，因此增長快，對培養(yǎng)基的要求不高，是非常容易使用的一種體外細胞。
但是，癌細胞具有惡性轉(zhuǎn)移的性質(zhì)，所以很難用它來完全模擬體內(nèi)胎盤的活性。
第三種途徑是用誘導(dǎo)性多能干細胞（Induced pluripotent stem cell，常稱為iPS細胞）來制作胎盤細胞。從皮膚、血液、尿液、脂肪中提取出體細胞，導(dǎo)入多能性誘導(dǎo)因子培養(yǎng)制成的細胞就是iPS細胞，它能夠分化成人體各種組織臟器，并無限增殖。
由于iPS細胞來源于體細胞，不涉及與人體胚胎組織有關(guān)的倫理問題，醫(yī)生可以提取患者自身的體細胞來培殖胎盤細胞，來治療患者。因此這種途徑應(yīng)用更廣泛。
圖8.iPS細胞和胚胎干細胞的對比丨作者制圖
為了分別獲得具有活性和功能的胎盤干細胞、合胞體滋養(yǎng)層細胞和絨毛外滋養(yǎng)層細胞，科學(xué)家絞盡了腦汁。由于合胞體滋養(yǎng)層細胞和絨毛外滋養(yǎng)層細胞都是由胎盤干細胞分化而來，所以總體的研究思路是，首先必須獲得一種能模擬體內(nèi)細胞性質(zhì)的胎盤干細胞，其次再驗證所獲的胎盤干細胞是否能在培養(yǎng)皿中融合成合胞體滋養(yǎng)層，并分化成侵入性的絨毛外滋養(yǎng)層細胞。
2019年，日本理化學(xué)研究所的巖田教授團隊運用物理手段獲得了胎盤干細胞后，在只有5微米厚的鎳網(wǎng)上面培養(yǎng)誘導(dǎo)多能干細胞（iPS細胞），20天后，細胞層上方長出了很多小囊泡。用驗孕試紙測定長有小囊泡的培養(yǎng)液時，發(fā)現(xiàn)試紙呈陽性——也就是“懷上了”！所以可以初步認(rèn)定，這些囊泡中含有胎盤性質(zhì)的細胞。
圖9.在5微米厚的鎳網(wǎng)上培養(yǎng)多功能干細胞[2]
研究人員將這些小囊泡用剪刀小心取下，再放入適合胎盤細胞生長的培養(yǎng)基中。經(jīng)過若干代的純化培養(yǎng)，便獲得了胎盤干細胞。它們能夠不斷增殖，并且能在體外分化成合胞體滋養(yǎng)層細胞和絨毛外滋養(yǎng)層細胞?？梢哉f，這是人類第一次使用誘導(dǎo)多能干細胞獲得了真正意義上“具有功能”的胎盤干細胞。
巖田團隊的成果雖然鼓舞人心，但缺陷也是顯而易見的：耗時太長。這一方法需要的周期長達二十多天，并且從獲取的囊泡中提取單一的胎盤干細胞時還需要額外的時間。
今年4月，日本京都大學(xué)高島團隊在《細胞·干細胞》（Cell Stem Cell）上發(fā)表了他們的研究成果，把體外培育胚胎干細胞的周期縮短到了3天[5]。他們是怎么做到的？
秘密就在于高島團隊使用了不同的干細胞來源。
巖田團隊在培育胎盤干細胞時，采用的是成熟干細胞；而高島團隊則利用了原初干細胞作為培養(yǎng)來源。他們用原初干細胞建立了一個體外的分化系，由原初干細胞分化得到原初滋養(yǎng)外胚層，再到原初胎盤干細胞，而原初胎盤干細胞能經(jīng)過藥物誘導(dǎo)融合成合胞體滋養(yǎng)層，并分化成絨毛外滋養(yǎng)層細胞。
這兩種干細胞有哪些不同呢？雖然原初干細胞和成熟干細胞都具有多功能分化的性質(zhì)，但二者實際上處于受精卵發(fā)育的不同階段。原初干細胞可以被認(rèn)為是由受精卵形成的囊胚體的內(nèi)部細胞，而成熟干細胞更接近于囊胚著床后的上皮細胞，因此原初干細胞更原始。
圖11.原初干細胞和成熟干細胞的區(qū)別[4]
同時，相比于成熟的干細胞，使用原初干細胞分化得到的胎盤干細胞，非常接近人體胎盤細胞的性質(zhì)。而且從原初干細胞到胎盤細胞，只需要三或四種有效藥物刺激、誘導(dǎo)三天，就可以完成，分化方法更易操作，這也極大降低了其他研究者獲得所需要胎盤細胞的難度。
利用干細胞獲得構(gòu)成胎盤的三種細胞，是人類生物發(fā)育學(xué)研究的重要進步之一。這些研究成果的出現(xiàn)，讓我們能夠更好地了解胎盤的發(fā)育過程和與胎盤相關(guān)的疾病。
參考文獻
[1] Okae H, Toh H, Sato T, Hiura H, Takahashi S, Shirane K, et al. Derivation of human trophoblast stem cells. Cell Stem Cell 2018, 22(1): 50-63 e56.
[2] Li Z, Kurosawa O, Iwata H. Establishment of human trophoblast stem cells from human induced pluripotent stem cell-derived cystic cells under micromesh culture. Stem Cell Research & Therapy 2019, 10(1): 245.
[3] Li Z, Kurosawa O, Iwata H. A comparative study of key physiological stem cell parameters between three human trophoblast cell lines. Biochemical and Biophysical Research Communications 2020.
[4] Semi K, Takashima Y. Pluripotent stem cells for the study of early human embryology. Development, Growth & Differentiation 2021.
[5] Io S, Kabata M, Iemura Y, Semi K, Morone N, Minagawa A, et al. Capturing human trophoblast development with naive pluripotent stem cells in vitro. Cell Stem Cell 2021.
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