胎盘滋养层细胞能量代谢与稳态调控：从发育异常到疾病机制的新见解

《Biology of Reproduction》：Metabolism and homeostasis of energy in trophoblast cells of the placenta: from development to disease

本综述聚焦胎盘滋养层细胞能量代谢的核心问题，系统探讨了ATP生成与磷酸肌酸（PCr）缓冲系统在不同滋养层亚型（细胞滋养层细胞（CTB）、合体滋养层细胞（STB）、绒毛外滋养层细胞（EVT））中的动态调控机制。研究人员通过整合体外细胞模型、胎盘外植体及单细胞转录组学数据，揭示了能量代谢通路紊乱与子痫前期（PE）、胎儿生长受限（FGR）等妊娠疾病的关联，并提出母体补充肌酸可能作为改善胎盘功能的新策略，为理解胎盘能量稳态提供了重要理论依据。

　　

在生命最初的旅程中，胎盘扮演着至关重要的角色，它不仅是连接母体与胎儿的桥梁，更是一个高度活跃的代谢引擎。这个临时器官负责营养运输、激素分泌和免疫调节，所有这些功能都离不开持续且高效的能量供应——主要以三磷酸腺苷（ATP）的形式存在。然而，由于ATP的高周转率和多步从头合成途径，传统的能量生成方式（如糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS））有时难以满足滋养层细胞快速且局域化的能量需求。这时，一个名为“磷酸原系统”的快速能量缓冲机制就显得尤为重要，它由肌酸（Cr）、肌酸激酶（CK）和磷酸肌酸（PCr）组成，犹如细胞内的“应急充电宝”，能在能量需求激增时迅速补充ATP。尽管这一系统在肌肉和大脑等高耗能组织中研究较为深入，但它在胎盘生物学中的作用却鲜为人知，尤其是在复杂的滋养层细胞亚群中。

为了深入探究胎盘的能量代谢奥秘，研究人员Nirvay Sah、Kent Thornburg、Jaroslav Slamecta和Francesca Soncin*合作撰写了这篇综述，并发表在《Biology of Reproduction》上。他们系统梳理了当前关于滋养层细胞ATP产生和缓冲机制的知识，特别聚焦于不同的滋养层亚型，并探讨了能量代谢紊乱如何参与妊娠疾病的发生。

研究人员在开展这项综述性研究时，主要综合运用了以下几类关键技术方法：首先，他们利用了已建立的滋养层细胞系模型，如JEG-3、BeWo和HTR-8/SVneo细胞，这些细胞常用于模拟滋养层细胞的特定功能（如激素分泌、迁移侵袭）。其次，研究涉及对足月分娩后获得的人胎盘组织进行离体研究，包括分离培养原代细胞滋养层细胞（CTB）并诱导其分化为合体滋养层样结构，以及使用胎盘绒毛外植体进行实时动态观察。第三，研究人员深入挖掘了公共数据库中的单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA测序（snRNA-seq）数据，这些数据来源于早期妊娠和足月胎盘组织，甚至包括来自子痫前期（PE）和妊娠期糖尿病（GDM）等疾病状态的胎盘样本，从而能够在单细胞分辨率下分析不同滋养层亚群的能量代谢相关基因表达谱。最后，新兴的滋养层干细胞（TSCs）和胎盘类器官模型也被纳入分析，为研究早期胎盘发育提供了新的工具。

2. 能量生产

细胞通过代谢碳水化合物、氨基酸和脂质等外部底物产生能量。葡萄糖代谢是核心，主要通过糖酵解进行，可分为有氧和无氧途径。有氧糖酵解在氧气存在下将葡萄糖转化为丙酮酸，后者进入线粒体参与三羧酸循环（TCA循环）和氧化磷酸化（OXPHOS），每分子葡萄糖产生约30-32个ATP。无氧糖酵解在缺氧时将丙酮酸转化为乳酸，仅产生2个ATP，但速度快，利于快速增殖细胞。研究通过分析早期妊娠胎盘的scRNA-seq数据发现，细胞滋养层细胞（CTB）可能更依赖氧化代谢，而绒毛外滋养层细胞（EVT）则可能更倾向于糖酵解，这可能适应了其迁移侵袭所处的缺氧环境。对滋养层干细胞（TSCs）及其分化后代的分析也揭示了能量代谢基因的差异表达，表明不同滋养层亚型存在差异性的能量代谢偏好。

2.A. 滋养层群体中的差异性能量代谢

2.A.1. 滋养层细胞的能量代谢：来自永生化细胞系的启示

JEG-3细胞在缺氧条件下线粒体体积减少，提示对OXPHOS的依赖降低。在高糖条件下，JEG-3细胞的ATP产量下降，表明OXPHOS对营养可用性敏感。BeWo细胞在分化形成合体滋养层（STB）时，线粒体呼吸功能的研究结果存在差异，可能与方法学不同有关。分化的BeWo细胞更倾向于利用线粒体柠檬酸原位产生ATP，而未分化的细胞则输出柠檬酸用于组蛋白乙酰化等过程。HTR-8/SVneo细胞（模拟EVT）的OXPHOS衍生的ATP超过糖酵解，但糖酵解对其迁移和侵袭至关重要。

2.A.2. 滋养层细胞的能量代谢：来自成熟胎盘的启示

对足月胎盘原代细胞滋养层细胞（CTB）的研究表明，在CTB分化为STB的过程中，耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR，糖酵解活性的替代指标）均显著降低，且CTB的OCR:ECAR比值低于STB，提示CTB在这些条件下更具糖酵解特性。研究还发现，男性来源的STB糖酵解能力较低，代谢灵活性较差，而女性来源的STB线粒体呼吸更有效，表明胎盘能量代谢存在性别差异。对早期妊娠胎盘CTB的研究结果与足月胎盘存在一些差异，例如在分化过程中无氧代谢和乳酸产生增加，这可能是由于培养时间或妊娠期本身的内在代谢差异所致。

2.A.3. 滋养层细胞的能量代谢：来自单细胞转录组的启示

对早期妊娠胎盘scRNA-seq数据的分析显示，EVT中糖酵解相关基因（如PFKP, LDHA）表达较高，而STB和EVT中OXPHOS相关基因（如ATP5F1A, IDH2）表达低于CTB，这支持了不同滋养层亚型存在差异性能量代谢的观点。然而，基因表达并不能完全预测细胞代谢状态，需要功能研究来证实。

2.A.4. 滋养层细胞的能量代谢：来自滋养层干细胞的启示

对滋养层干细胞（TSCs）及其分化为STB和EVT后代的分析显示，糖酵解基因在STB后代中表达低于未分化的TSCs，而TSCs和EVT后代之间能量代谢基因表达差异不大。这些发现与原发性细胞的研究结果并非完全一致，提示模型系统和培养条件的影响。总体而言，证据表明所有滋养层群体都能利用糖酵解和氧化途径产生ATP，并表现出代谢灵活性。

3. 细胞内能量缓冲机制：Cr-CK-PCr系统

磷酸原系统是补充ATP储备的最快机制。肌酸激酶（CK）催化ATP的高能磷酸基团转移到肌酸（Cr）上，形成磷酸肌酸（PCr），储存能量。当ATP被消耗时，CK可快速将PCr重新转化为ATP和Cr。这个循环就像一个“分子电池”。肌酸水平通过内源性合成和饮食摄入维持。分析scRNA-seq数据发现，CTB中线粒体CKMT1A/B和GAMT（肌酸合成酶）的表达高于STB和EVT，而肌酸转运蛋白SLC6A8在STB和EVT中表达更高，提示不同滋养层亚型对磷酸原系统的利用存在差异。对TSCs模型的分析也支持磷酸原系统在滋养层发育中的作用，特别是CKMT1在STB分化中的上调至关重要。

3.A. 滋养层/胎盘ATP稳态中的肌酸代谢

3.A.1. 滋养层中的肌酸生物合成和运输：来自足月胎盘的启示

在足月胎盘组织中检测到肌酸合成（AGAT, GAMT）和转运（SLC6A8）相关mRNA和蛋白的表达，且酶具有生物活性，提示胎盘存在局部的肌酸合成。

3.A.2. 滋养层中的肌酸生物合成和运输：来自早期妊娠胎盘的启示

早期妊娠胎盘中也检测到CK同工酶和肌酸代谢相关基因的表达，表明早期胎盘可能已利用磷酸原系统进行能量缓冲。

3.A.3 滋养层细胞中的肌酸代谢：来自转录组学数据集的启示

如前述，scRNA-seq数据显示肌酸代谢相关基因在滋养层亚群中表达模式不同，CTB可能更依赖磷酸原系统缓冲ATP水平。

3.A.4. 滋养层中的肌酸代谢：来自滋养层干细胞的启示

TSCs及其分化后代均表达肌酸通路关键组分。TSC分化为STB时CKMT1表达上调，这对分化过程很重要。

4. 妊娠疾病中胎盘ATP生物合成和稳态的改变

在子痫前期（PE）中，滋养层功能受损、线粒体功能障碍和氧化应激表明能量代谢改变。scRNA-seq分析发现，PE胎盘的EVT中ATP合成相关基因表达下降，氧化应激相关基因表达增加；STB中氧化还原过程基因下调；CTB中凋亡相关基因上调。PE胎盘的CTB中HK1、PFKL表达降低，而PKM、LDHA、ATP5F1A表达变化不一。磷酸原系统也出现紊乱，例如STB和CTB中CKMT1表达降低，EVT中SLC6A8表达降低。

在胎儿生长受限（FGR）胎盘中，ATP水平较低，但肌酸相关基因（GATM, CKB）和PCr、Cr水平升高，提示磷酸原系统被激活作为一种代谢适应。抑制该通路会显著降低FGR滋养层细胞的ATP含量。

在妊娠期糖尿病（GDM）胎盘中，CTB和EVT的糖酵解（HK1, PKM, LDHA）和OXPHOS（ATP5F1A）相关基因表达降低，肌酸代谢相关基因（GAMT, CKMT1A, CKMT1B, SLC6A8）在CTB中也降低，而CKB表达相对较高。

5. 女性口服肌酸补充剂改善妊娠结局的成本/效益证据

肌酸补充剂在运动员、老年人等领域被证明安全有效。女性内源性肌酸储存和膳食摄入通常低于男性。动物研究表明，妊娠期补充肌酸可能对母胎健康有益，如增强神经元摄取、支持线粒体功能、减少缺氧依赖性损伤、改善后代器官发育等。此外，肌酸补充可能通过节省精氨酸和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）等资源，间接支持胎盘发育和胎儿表观遗传编程。

6. 最终讨论

能量生产和缓冲系统在滋养层生长、植入和胎盘功能中扮演着重要角色，并与妊娠疾病密切相关。证据表明滋养层亚群存在差异性能量代谢，并且Cr-CK-PCr磷酸原系统可能用于缓冲细胞ATP水平。然而，关于该系统的蛋白质水平和酶活性数据，尤其是在早期妊娠期间的作用，仍然有限。利用滋养层干细胞（TSCs）和类器官等新型模型研究早期胎盘发育中的能量稳态机制，将是未来的重点。阐明磷酸原系统在滋养层发育、妊娠疾病以及对母体补充肌酸的反应中的作用，可能为改善胎盘效率和胎儿结局开辟新的治疗途径。

本研究通过系统综述，深入揭示了胎盘滋养层细胞能量代谢网络的复杂性和重要性，特别是强调了磷酸肌酸缓冲系统在维持胎盘功能稳态中的关键作用。研究不仅整合了来自细胞系、原代细胞、动物模型以及最新单细胞测序技术等多层次证据，还敏锐地指出了不同滋养层亚型（CTB, STB, EVT）之间以及不同妊娠阶段（早孕期与足月）能量代谢模式的差异，这为了解胎盘发育和功能障碍提供了更精细的视角。研究发现，在子痫前期（PE）、胎儿生长受限（FGR）和妊娠期糖尿病（GDM）等病理条件下，滋养层细胞的能量生成和缓冲机制均发生显著改变，这些改变可能是疾病的原因也可能是代偿性后果。尤为重要的是，研究提出了母体肌酸补充作为一种潜在的干预策略，这不仅基于其直接的生物能学益处，还考虑到其可能通过节省精氨酸和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）等关键代谢物，间接支持胎盘发育和胎儿表观遗传编程。总之，这项研究极大地增进了我们对胎盘能量生物学的理解，为未来开发针对妊娠相关疾病的新疗法奠定了坚实的理论基础，并突出了进一步研究早期妊娠事件和利用新型胎盘模型的迫切性。