宫内氧环境调控胎盘鞘脂代谢及其在生理发育和子痫前期病理机制中的作用

《Journal of Lipid Research》：Intrauterine oxygen milieu governs placental sphingolipid metabolism

本研究针对宫内氧环境如何调控胎盘鞘脂代谢这一关键科学问题，通过分析早期妊娠人胎盘和胎盘特异性Phd2基因敲除小鼠模型，揭示了低氧环境导致长链神经酰胺（Cer）积累和鞘氨醇-1-磷酸（So-1-P）减少，并伴随线粒体分裂增强。该研究阐明了氧分压通过调节ASAH1和SPHK1等关键酶影响鞘脂代谢平衡的新机制，为理解子痫前期等胎盘源性疾病的发病机制提供了重要见解。

　　

在生命最初的旅程中，胎盘扮演着至关重要的角色，它是连接母体与胎儿的生命桥梁，负责氧气、营养和废物的交换。胎盘的健康发育直接关系到妊娠的成功。早期胎盘形成依赖于子宫内氧气浓度的精确变化。在妊娠头几周，胎盘处于一个相对低氧的环境（pO₂ < 20 mmHg），这有助于滋养层细胞的分化和迁移。大约在妊娠10至12周，随着绒毛间隙的开放，胎盘开始接触氧合的母体血液，氧分压骤然升高至约60-80 mmHg，从而触发滋养层细胞从增殖表型向侵袭表型转变，重塑母体螺旋动脉，确保对胎儿充足的氧气和营养供应。这个由低氧到高氧的生理性转换，由缺氧诱导因子（HIF）等分子精密调控。然而，当这一氧感应轴心被打乱，导致持续的低氧状态时，就可能引发如子痫前期等严重的妊娠并发症。子痫前期以母体高血压和蛋白尿为特征，是导致母婴发病和死亡的主要原因之一，其根本原因在于胎盘功能不全。

近年来，鞘脂类物质，作为一类重要的生物活性脂质，在细胞信号转导中的功能日益受到关注。它们参与调控细胞增殖、迁移、血管生成、炎症和细胞死亡等多种生理和病理过程。在鞘脂代谢网络中，神经酰胺（Ceramide, Cer）处于核心地位，它是所有其他鞘脂的前体。神经酰胺的水平受到多种酶的精密调控，例如，酸神经酰胺酶（Acid Ceramidase, ASAH1）和碱性神经酰胺酶2（Alkaline Ceramidase 2, ACER2）能将神经酰胺分解为鞘氨醇（Sphingosine, So），而鞘氨醇激酶（Sphingosine Kinase, SPHK）则能将鞘氨醇磷酸化生成具有促生存活性的鞘氨醇-1-磷酸（Sphingosine-1-phosphate, So-1-P）。神经酰胺和So-1-P的平衡被视作一个关键的“分子开关”，前者通常促进细胞应激和死亡，后者则支持细胞存活和生长。已有研究表明，在子痫前期的胎盘中，存在神经酰胺的积累，但宫内氧环境的变化如何动态调节胎盘鞘脂代谢，以及这种调节在生理性胎盘发育和病理性妊娠疾病（如子痫前期）中的作用，尚不完全清楚。

为了回答这些关键问题，由Julien Sallais、Martin Post和Isabella Caniggia领导的研究团队在《Journal of Lipid Research》上发表了一项重要研究。他们系统性地探讨了妊娠早期生理性氧分压变化（从5-9周的低氧到10-15周的高氧）以及病理性持续低氧（利用胎盘特异性Phd2基因敲除小鼠模型）对人和小鼠胎盘鞘脂代谢及相关线粒体稳态的影响。

研究人员运用了多种关键技术方法展开研究。他们收集了妊娠5-15周的人胎盘组织以及条件性敲除Phd2基因（Phd2^-/- cKO）和野生型（WT）小鼠在胚胎期14.5天（E14.5）和17.5天（E17.5）的胎盘组织。通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术对胎盘中的多种鞘脂种类进行了定性和定量分析。利用稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）、火山图分析和热图可视化等生物信息学方法，评估了不同组别间鞘脂谱的差异。通过蛋白质印迹（Western Blot）和定量PCR（qPCR）检测了关键鞘脂代谢酶（如ASAH1、ACER2、SPHK1、SPHK2）的表达水平。采用免疫组织化学（IHC）技术观察了ASAH1蛋白在胎盘组织中的定位和表达情况。利用透射电子显微镜（TEM）对胎盘滋养层细胞的线粒体超微结构进行了观察，并进行了线粒体形态计量学分析，以评估线粒体分裂与融合的动态平衡。

Ceramide代谢和So-1-P水平在早期人胎盘发育过程中的变化

对早期妊娠人胎盘的鞘脂分析发现，在低氧的5-9周胎盘与氧合增加的10-15周胎盘之间，鞘脂组成存在显著差异。sPLS-DA分析显示两组样本能明显区分开。具体而言，与10-15周胎盘相比，5-9周胎盘中的长链神经酰胺（如Cer14:0, Cer16:0, Cer18:0, Cer18:1）和鞘氨醇（So）含量显著升高，而鞘氨醇-1-磷酸（So-1-P）水平无显著变化。进一步探究其机制发现，分解神经酰胺的关键酶——酸神经酰胺酶（ASAH1）以及合成So-1-P的鞘氨醇激酶1（SPHK1）在5-9周胎盘中的表达均低于10-15周胎盘。这些结果表明，在生理性低氧的早期胎盘发育阶段，鞘脂代谢倾向于神经酰胺和鞘氨醇的积累，这可能与ASAH1和SPHK1的表达下调有关。

胎盘Phd2敲除小鼠中Ceramide和So-1-P水平的改变

为了验证低氧环境是否是导致上述鞘脂变化的直接原因，研究人员使用了胎盘特异性Phd2基因敲除（Phd2^-/- cKO）小鼠模型，该模型胎盘处于慢性低氧状态。在妊娠E14.5天，Phd2^-/- cKO胎盘与WT胎盘相比，某些长链和超长链神经酰胺（如Cer22:0, Cer24:0）含量升高，而某些鞘磷脂（如SM18:0, SM24:1）含量降低。到了E17.5天，Phd2^-/- cKO胎盘表现出更广泛的鞘脂谱改变，包括多种神经酰胺和鞘磷脂种类的增加，以及鞘氨醇（Sa）、二氢鞘氨醇-1-磷酸（Sa-1-P）和So-1-P的减少。与在人胎盘中的发现一致，Phd2^-/- cKO胎盘中ASAH1和SPHK1的蛋白表达也显著降低。这些结果在动物模型上证实，慢性的胎盘低氧环境足以引起神经酰胺积累和So-1-P减少，这与人类子痫前期胎盘的表型相似。

低氧促进早期人胎盘发育过程中的线粒体分裂事件

透射电镜超微结构分析揭示，在人类胎盘发育的早期低氧阶段（5-9周），滋养层细胞中的线粒体更小，其表面积、直径和周长均小于10-15周胎盘的线粒体。这种线粒体形态的缩小是线粒体分裂增加的典型特征。这表明，生理性的低氧环境与胎盘滋养层细胞线粒体分裂增强相关联。

低氧促进胎盘Phd2敲除小鼠的线粒体分裂

在Phd2^-/- cKO小鼠胎盘中也观察到了类似的线粒体动力学改变。在E14.5天，Phd2^-/- cKO胎盘滋养层细胞中的线粒体数量更多，但体积更小，表面积极其其他形态学参数均小于WT对照组，提示线粒体分裂增强。 Western Blot分析进一步显示，Phd2^-/- cKO胎盘中磷酸化的动力相关蛋白1（pDRP1，一种关键的线粒体分裂调控蛋白）水平升高，而线粒体融合蛋白OPA1的长短异构体比例未发生显著变化。这些数据共同表明，在病理性的持续低氧环境下，胎盘线粒体动态平衡同样倾向于分裂。

综上所述，本研究揭示了宫内氧环境是调控胎盘鞘脂代谢和线粒体稳态的一个关键因素。在生理条件下，妊娠早期的暂时性低氧通过调节ASAH1和SPHK1等酶的表达，影响神经酰胺和So-1-P的平衡，并可能伴随适度的线粒体分裂，以适应胎盘发育的需要。然而，在子痫前期等病理状态下，持续的低氧会破坏这一精细调控，导致神经酰胺异常积累和So-1-P减少，进而驱动过度的线粒体分裂，这可能最终损害滋养层细胞功能，参与疾病的发生发展。这项研究不仅增进了我们对正常胎盘发育生物学机制的理解，更重要的是，为阐明子痫前期的病理生理机制提供了新的视角，提示鞘脂代谢通路和线粒体动力学可能成为未来干预子痫前期的新靶点。同时，研究也验证了Phd2^-/- cKO小鼠作为模拟人类子痫前期胎盘特征的可靠动物模型。