胎盘滋养细胞间乳酸穿梭通过增强铁死亡抵抗维持妊娠稳态的机制研究

《Cell Communication and Signaling》：Lactate shuttle between cytotrophoblast and syncytiotrophoblast in the placenta enhances ferroptosis resistance and maintains placental homeostasis: implications for early pregnancy loss

本研究针对复发性流产(RPL)中胎盘绒毛功能障碍的临床难题，揭示了细胞滋养层(CTB)向合体滋养层(STB)的乳酸转运通过激活PI3K-AKT-mTOR-SREBP1通路上调SCD1和GPX4表达，从而抑制脂质过氧化和铁死亡的新机制。动物实验证实乳酸补充可显著改善LPS诱导的小鼠胚胎丢失，为RPL的代谢干预提供了新靶点。

　　

在人类胎盘绒毛结构中，外层的多核合体滋养层(STB)与内层的单核细胞滋养层(CTB)共同构成母胎界面。STB作为人体最大的多核细胞，在妊娠期间表现出特殊的细胞稳态：通过持续的核更新（新核融入而衰老核通过合体结脱落）维持功能，却不发生整体细胞死亡。然而，这种独特细胞稳态的维持机制一直是未解之谜。

近年来研究发现，STB在分化过程中会发生显著的代谢重编程，表现为脂肪酸代谢活性增强，特别是多不饱和脂肪酸(PUFA)的积累。与此同时，胎盘滋养层高表达5-脂氧合酶(5-LOX)、15-脂氧合酶(15-LOX)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCAT3)等促进PUFA过氧化的酶类，加上胎盘内丰富的铁离子储备和妊娠早期的生理性缺氧/复氧循环产生的大量活性氧(ROS)，使得PUFA富集的STB面临严重的脂质过氧化和铁死亡风险。铁死亡是一种铁依赖性的非凋亡性细胞死亡形式，其特征是脂质过氧化物的累积。在复发性流产(RPL)患者的胎盘组织中，确实观察到过度的铁死亡现象，这提示我们：STB必然存在某种保护机制来抵抗过度铁死亡，维持细胞稳态。

有趣的是，最近癌症研究发现乳酸能够通过上调硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)增强肿瘤细胞的铁死亡抵抗。SCD1是催化饱和脂肪酸转化为单不饱和脂肪酸(MUFA)的关键酶，MUFA由于比PUFA更不易氧化，可掺入磷脂替代易氧化的PUFA，从而形成抗过氧化的膜环境。同时，研究团队前期的代谢组学数据显示，CTB具有比STB更强的乳酸生成能力。基于这些线索，研究人员提出科学假设：CTB产生的乳酸可能通过单羧酸转运蛋白(MCT)主动运输至STB，激活相关信号通路，保护STB免于过度铁死亡。

为验证这一假说，研究团队综合利用临床标本（正常妊娠和RPL患者胎盘）、原代培养的人CTB和STB、FSK诱导的BeWo细胞合体化模型以及LPS诱导的小鼠早期流产模型，开展了一系列实验。关键技术方法包括：透射电镜观察线粒体形态、免疫荧光染色分析蛋白定位、靶向脂质代谢组学分析脂肪酸组成、蛋白质印迹检测关键蛋白表达、细胞活力测定评估铁死亡程度，以及建立小鼠模型进行体内功能验证。

研究首先证实了铁死亡与滋养层分化状态的关联。透射电镜显示，STB中的线粒体呈现圆形萎缩、嵴减少的典型铁死亡特征，而CTB的线粒体形态正常。免疫荧光染色发现铁转运蛋白转铁蛋白受体1(TfR1)在STB顶膜富集。靶向脂质代谢组学分析表明，STB中花生四烯酸(C20:4)和肾上腺酸(C22:4)等易发生脂质过氧化的PUFA显著富集，而具有抗铁死亡作用的MUFA水平降低。在FSK诱导的BeWo细胞合体化过程中，SCD1和GPX4（关键的铁死亡抑制蛋白）表达逐渐下降，脂质过氧化物MDA积累增加，细胞活力降低。这些结果说明滋养层在向STB分化过程中铁死亡活性逐渐增强。

接着，研究深入探讨了CTB向STB的乳酸穿梭机制。单细胞RNA测序和代谢组学数据显示CTB具有更强的糖酵解活性和乳酸生成能力。免疫荧光染色发现MCT1主要定位于CTB和STB的基底膜，MCT4和乳酸受体GPR81则富集于STB顶膜。体外实验表明，在FSK诱导的BeWo合体化细胞中，乳酸处理可增加细胞内乳酸水平，且这种积累可被MCT1抑制剂(AZD3965)剂量依赖性地抑制，证明STB通过MCT1摄取乳酸。相反，在未合体化的滋养层细胞中，MCT1抑制剂减少细胞外乳酸水平，说明CTB通过MCT1向外分泌乳酸。

进一步功能实验发现，乳酸能够有效保护合体化滋养层免受铁死亡诱导剂Erastin的损伤。乳酸处理显著逆转了Erastin引起的SCD1和GPX4表达下降、MDA积累增加和细胞活力降低，表明乳酸通过上调SCD1和GPX4增强STB的铁死亡抵抗。

机制探索表明，乳酸通过激活PI3K-AKT-mTOR信号通路上调SCD1和GPX4。蛋白互作网络预测GPR81与PI3K-AKT通路成分及SREBP1、SCD1存在相互作用。在Erastin处理的合体化BeWo细胞中，乳酸激活PI3K-AKT-mTOR通路并上调SREBP1和下游靶点SCD1、GPX4的表达，而使用PI3K抑制剂(Pictilisib)、AKT抑制剂(MK-2206)、mTOR抑制剂(Temsirolimus)或SREBP1抑制剂(Fatostatin)均能阻断乳酸的这种保护作用，导致细胞铁死亡损伤加剧。

体内实验证实了乳酸的生理意义。在LPS诱导的小鼠早期流产模型中，乳酸补充使胚胎吸收率从60%显著降至15%，改善胎儿和胎盘重量，恢复胎盘内SCD1和GPX4表达，降低MDA水平。这表明乳酸能够有效缓解胎盘铁死亡，促进胎儿存活。

临床样本分析显示，与正常妊娠相比，RPL患者胎盘组织中乳酸水平显著降低，MDA含量升高，LDHA、MCT1、MCT4、SCD1、SREBP1和p-PI3K/PI3K表达下调，证实RPL中存在乳酸合成与转运障碍，并与过度铁死亡相关。

该研究最终构建了一个完整的作用模型：CTB通过高糖酵解活性产生乳酸，经MCT1转运至STB；乳酸通过GPR81受体激活PI3K-AKT-mTOR信号通路，促进转录因子SREBP1表达，进而上调SCD1和GPX4；SCD1催化生成抗铁死亡的MUFA，GPX4清除脂质过氧化物，共同抵抗由PUFA过氧化和铁依赖的Fenton反应引发的铁死亡，从而维持STB的细胞稳态。

这项研究首次揭示了胎盘滋养层细胞间乳酸穿梭在抵抗铁死亡、维持妊娠稳态中的关键作用，不仅深化了对胎盘生物学的基本认识，更重要的是为复发性流产等妊娠并发症的防治提供了新的代谢干预策略。由于乳酸在产科已具备良好的安全性基础，该发现具有显著的临床转化潜力。研究发表于《Cell Communication and Signaling》杂志，为理解妊娠维持机制和开发相关疾病疗法提供了重要理论依据。