為了模擬胎盤發育，他們讓幹細胞“懷上了”_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-05-14 10:55
撰文 | 李卓思（上海理工大學醫食學院）
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）。它伴隨着胎兒的降生、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。可想而知，作為一個僅存在於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，胎盤的生長直接關係到胎兒的發育。許多孕早期胎停的病例，就與胎盤發育不良有關。科學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，現在，我們已經能高效培育人工胎盤細胞，並讓它們“懷孕”了。
胎盤來源於胎兒，而非母體，它是哺乳動物為了生存發育而形成的一種臨時性器官，起着連接母體、攝取營養、保護自己的作用，擔負着母親與胎兒之間物質交流的重要使命。
作為母體和胎兒之間物質的“過路衞士”，胎盤幫助胎兒從母親的血液中獲取營養和氧氣，並移走子宮中的廢物。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育。
此外，胎盤的結構十分複雜，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——它能保護出生後完全沒有抵抗力的嬰兒，發揮着活體防禦的功能。
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。
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，受精後大約36小時卵子便開始一次分裂，成為兩個細胞；3，受精後大約72小時便變成16個細胞，幾天之後細胞團就清理到子宮內；4，4周後，胚胎浸泡在充滿液體的囊中，心臟開始挑動，大腦開始發育；5，5周後，胚胎大約有蘋果核大，開始出現將會變成上肢和下肢的胚芽，局部開始萎縮。
人體胎盤的構成——人類生命誕生的神奇之處
胎盤為什麼會有這麼奇妙的屏障功能？科學家認為，這一定與構成它的細胞有關。隨着分子生物學的進步，人們對胎盤細胞羣的構成和由來有了進一步的認識——胎盤細胞羣並不只是由一種細胞構成的，而是可以分為三類：胎盤幹細胞、胎盤合胞體滋養層細胞、絨毛外滋養層細胞。
卵子和精子結合形成受精卵之後，受精卵就開始快速分裂增殖，當形成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，稱為內細胞團，將來發育成胎兒的各種組織。而另一些個體較小的細胞，沿透明帶內壁擴展和排列的，稱為滋養層細胞，它們將來發育成胚膜和胎盤。這時的滋養層細胞也被稱之為胎盤幹細胞。
隨着囊胚的繼續發育，內部細胞團經過分化生成身體的各個器官，如心臟、肝臟、骨骼和脂肪等等；同時外部的胎盤幹細胞也分化發育成胎盤。所謂分化，就是指同一來源的細胞逐漸產生出形態結構、功能特徵各不相同的細胞類羣的過程。
胚胎髮育至13~21日時，胎盤的主要結構——絨毛——逐漸形成（圖4）。絨毛的最外層覆蓋着胎盤合胞體滋養層細胞。每一個大的合胞體滋養層細胞都由多個胎盤幹細胞融合而成，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進入胎兒體內，因此合胞體滋養層細胞在胎盤中是起屏障作用的細胞層。
此後，絨毛持續發育，絨毛內形成血管形成，建立起胎兒-胎盤循環。與此同時，絨毛內部的胎盤幹細胞，分化成形狀不規則、有小刺突的絨毛外滋養層細胞，它們能幫助胎盤絨毛着牀並定植在母體的子宮內膜上。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膜，再進一步侵入子宮內膜螺旋動脈，使母體的動脈由收縮狀態轉變為舒張狀態，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後期尤為明顯。
合胞體滋養層細胞與絨毛外滋養層細胞，二者都是在胎盤形成的過程中由胎盤幹細胞而來，二者相輔相成，具有不同的功能，共同構成了胎盤中重要的部分。我們可以這樣理解：合胞體滋養層細胞的形成是為了儘可能保護胎兒，而絨毛外滋養層細胞的作用則是為了胎兒能更好地從母體獲得營養。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。
怎樣獲取有活性的胎盤細胞？
胎盤僅存在於母體妊娠期間，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，以往研究胎盤物質運輸、胎盤藥物透過性、胎盤發育等課題，主要依賴於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的研究，一直是生物學界長期存在的難點。
為了更廣泛、更深入地研究胎盤的發育和功能，目前科學家們主要通過以下三種途徑獲得能在培養皿中培養的人類胎盤細胞。
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，學術上稱之為“滋養層細胞”，也就是構成胎盤絨毛的細胞羣。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，而且不能分裂繁殖傳代，所以無法用於複雜的實驗。
直到2019年，日本東北大學的研究者們才找到了合適的培養基，使此類細胞的長期體外培養成為可能。但胎盤組織來源有限，且受限於相應的倫理問題，從母體胎盤組織獲得細胞的方法註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。由於這種細胞來自於孕卵的滋養層成分，所以和正常的胎盤細胞具有十分相似的性質。同時，又因為這種細胞亦屬於癌細胞，因此增長快，對培養基的要求不高，是非常容易使用的一種體外細胞。
但是，癌細胞具有惡性轉移的性質，所以很難用它來完全模擬體內胎盤的活性。
第三種途徑是用誘導性多能幹細胞（Induced pluripotent stem cell，常稱為iPS細胞）來製作胎盤細胞。從皮膚、血液、尿液、脂肪中提取出體細胞，導入多能性誘導因子培養製成的細胞就是iPS細胞，它能夠分化成人體各種組織臟器，並無限增殖。
由於iPS細胞來源於體細胞，不涉及與人體胚胎組織有關的倫理問題，醫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。因此這種途徑應用更廣泛。
培育胎盤幹細胞——從20天到3天
為了分別獲得具有活性和功能的胎盤幹細胞、合胞體滋養層細胞和絨毛外滋養層細胞，科學家絞盡了腦汁。由於合胞體滋養層細胞和絨毛外滋養層細胞都是由胎盤幹細胞分化而來，所以總體的研究思路是，首先必須獲得一種能模擬體內細胞性質的胎盤幹細胞，其次再驗證所獲的胎盤幹細胞是否能在培養皿中融合成合胞體滋養層，並分化成侵入性的絨毛外滋養層細胞。
2019年，日本理化學研究所的巖田教授團隊運用物理手段獲得了胎盤幹細胞後，在只有5微米厚的鎳網上面培養誘導多能幹細胞（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液時，發現試紙呈陽性——也就是“懷上了”！所以可以初步認定，這些囊泡中含有胎盤性質的細胞。
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基中。經過若干代的純化培養，便獲得了胎盤幹細胞。它們能夠不斷增殖，並且能在體外分化成合胞體滋養層細胞和絨毛外滋養層細胞。可以説，這是人類第一次使用誘導多能幹細胞獲得了真正意義上“具有功能”的胎盤幹細胞。
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。這一方法需要的週期長達二十多天，並且從獲取的囊泡中提取單一的胎盤幹細胞時還需要額外的時間。
今年4月，日本京都大學高島團隊在《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）上發表了他們的研究成果，把體外培育胚胎幹細胞的週期縮短到了3天[5]。他們是怎麼做到的？
秘密就在於高島團隊使用了不同的幹細胞來源。
巖田團隊在培育胎盤幹細胞時，採用的是成熟幹細胞；而高島團隊則利用了原初幹細胞作為培養來源。他們用原初幹細胞建立了一個體外的分化系，由原初幹細胞分化得到原初滋養外胚層，再到原初胎盤幹細胞，而原初胎盤幹細胞能經過藥物誘導融合成合胞體滋養層，並分化成絨毛外滋養層細胞。
這兩種幹細胞有哪些不同呢？雖然原初幹細胞和成熟幹細胞都具有多功能分化的性質，但二者實際上處於受精卵發育的不同階段。原初幹細胞可以被認為是由受精卵形成的囊胚體的內部細胞，而成熟幹細胞更接近於囊胚着牀後的上皮細胞，因此原初幹細胞更原始。
同時，相比於成熟的幹細胞，使用原初幹細胞分化得到的胎盤幹細胞，非常接近人體胎盤細胞的性質。而且從原初幹細胞到胎盤細胞，只需要三或四種有效藥物刺激、誘導三天，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。
利用幹細胞獲得構成胎盤的三種細胞，是人類生物發育學研究的重要進步之一。這些研究成果的出現，讓我們能夠更好地瞭解胎盤的發育過程和與胎盤相關的疾病。
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.