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短暂器官的持久影响 ——胎盘在胎儿发育编程中的作用

September 22, 2017 聚焦 Comments Off on 短暂器官的持久影响 ——胎盘在胎儿发育编程中的作用

分子与成像技术、“组学”领域以及数据科学的最新进展,使研究人员以前所未有的视角认识胎儿环境的主要调控器—胎盘。

©EPA/National Geographic Channel/Alamy

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1944年至1945年的冬天,残酷的寒潮以及二战德国侵略缩减了整个荷兰的粮食输送,使荷兰人陷入了严重饥荒,部分地区的成人口粮减少到每天仅400卡路里。荷兰“饥饿之冬”期间受孕的婴儿较之此期前后出生的婴儿,出生时身长较短、较瘦,头部与胎盘较小。多年之后,饥荒婴儿比饥荒后不久出生的同龄人更容易患肥胖症、糖尿病和心脏病。他们的寿命往往也较短。

荷兰饥荒提供了宫内遭遇的环境应激可能决定成年期疾病风险(一种称之为胎儿发育编程的现象)的早期线索。此后几十年的证据表明,包括哮喘、癌症与神经发育障碍在内的许多慢性疾病,都可能追溯到宫内环境暴露。专家将这一新模式称之为“健康与疾病的发育起源”,或DOHaD (developmental origins of health and disease)。

胎儿发育编程是发展得最快的生物医学研究领域之一。然而,该现象的机制仍不清楚。影响基因表达而不改变DNA本身的表观遗传改变可能是以上程序的基础。研究人员现正探索DOHaD与胎盘的结构,功能以及表观基因组的关系,胎盘是常被忽视但却至关重要的器官。

对于这一通过脐带将胎儿连接到母体血供,并为胎儿提供来自母体的营养和氧气通路的短暂器官,人类很早以前就推测其有着重要作用(抑或是神秘作用)。古埃及人将胎盘称作“外部灵魂”,而希伯来文的圣经将其称为“生命之捆”。古希腊人对这一闪闪发光的深红色囊状物进行了更详细的物理描述:他们将其命名为“胎盘”或“烧饼”。

然而,胎盘仍是数千年来我们知之最少的人体器官之一。已知胎盘异常对母亲和胎儿有直接健康影响,却没有人怀疑过,即便看似正常的胎盘对儿童的影响也可能超越胎儿期直至其终身健康。英国剑桥大学的胎盘学家Graham Burton说:“直到不久前,科学界仍认为胎盘是胎儿连接到母体循环的静态插头。”这一观点正在改变。

分子与成像技术,“组学”领域以及数据科学的最新进展,使研究人员以前所未有的视角认识胎盘,它是一个分子结构和功能在整个妊娠期间都在变化的动态器官。科学家现知道除转运母体与胎儿间营养与废物外,胎盘还介导胎儿与母体免疫系统间的相互作用并暴露于母体血液的化合物中。它还起着产生刺激胎儿生长发育的激素和其他重要分子的神经内分泌器官的作用。胎盘在本质上可能是胎儿环境的主要调节器。

产前暴露的新观点

二十世纪二十年代中期的沙利度胺(反应停)危机明确了产前期胎儿的脆弱性,并提供了胎盘并非是防止毒物暴露的非渗透性屏障的证据。为治疗妊娠早期反应,医生曾给孕妇开处方药沙利度胺达4年之久,直到1961年才明确沙利度胺是导致许多妇女生育无臂或无腿海豹胎的罪魁祸首。

研究人员很快发现,比沙利度胺影响更隐蔽的低浓度化学物,例如铅、汞、多氯联苯与尼古丁也可能穿过胎盘并进入胎儿血液供应,造成伤害。研究人员推测,这些化学物质一旦进入胎盘,可以直接进入胎儿的脑和其他发育中的组织。

国立环境卫生科学研究所的健康科学研究员Thad Schug说,更有甚者,“我们长期以来认为物质要么穿得过或要么穿不过胎盘。它们要么进得了或要么进不了发育中的胎儿。”没有人真正关心过胎盘对这些污染物的反应,以及它们是否会改变胎盘本身的功能。

胎儿毒理学的主导模式是假设化学物通过胎盘到达胎儿,但并不改变胎盘功能。然而,这种模式无法完全解释对发育的影响以及研究人员发现的关联性。也就是说,实验和观察性研究指出妊娠早几周是大脑发育与性别分化的脆弱期,但胎盘结构的研究表明,有毒物质在以上早期阶段很可能无法通过胎盘。在过去十年中,伴随技术的进步,静态胎儿模式已开始朝着使研究人员能够更好地了解胎盘的结构与分子特征的方向转变。

妊娠期胎盘经历了一系列变化。开始几天,其外表和功能与出生时看到的器官非常不同。胎盘最主要功能之一的胎儿营养渠道,要到妊娠几周后才开始。在妊娠的前几周,发育中的胚胎从子宫内壁的腺体接受营养,与此同时胎盘细胞植入子宫壁,并为母–胎界面铺设牢固框架。在该发育早期,当主要器官分化时,胚胎与母体循环的接触十分有限。仅在受孕约10周后,胎盘细胞才与母体的血供发生联系。此时,沐浴于母血中的胎盘细胞开始将氧气、营养物质以及其他分子转运给胎儿。

低体重初生婴儿

荷兰“饥饿之冬”期间受孕婴儿的研究,提供了胎儿期应激可能影响后期生命健康的部分最早线索。

素。©Nationaal Archief

不幸的是,这种新建立的联系也允许环境化学物通过母血进入胎儿。

那么化学物暴露是如何在此关键期,未直接接触胚胎而影响发育的?从妊娠开始,胎盘是一个小工厂,制造与分泌化学物质,如人绒毛膜促性腺激素(hCG)。hCG是一种重要的胎盘信号激素,在妊娠期间起着多种作用,其中最著名的是帮助母体卵巢维持类固醇激素的生成;以维持早孕。hCG对于刺激睾酮生成也很重要,有助于引导男性胎儿的性分化。匹兹堡大学分子生物学家和流行病学家Jennifer Adibi认为内分泌活性化学物,如已知会改变啮齿动物性分化的邻苯二甲酸酯,就有可能会通过改变胎盘的hCG生成起作用。

为研究这一假说,Adibi将培养的胎盘细胞给予剂量相当于大多数美国人体内循环水平的邻苯二甲酸盐,发现暴露细胞产生的hCG比未暴露细胞少。然后,她将541名孕妇血液中的邻苯二甲酸酯水平与其新生儿的肛门生殖器间距(AGD;肛门与生殖器间的距离)进行比较。血液邻苯二甲酸酯含量较高的妇女,妊娠早期的hCG水平较高。通常男性新生儿的AGD长于女性,但上述妇女倾向于出生短于正常AGD(女性化征象)的男孩或长于正常AGD(男性化征象)的女儿。AGD变化与男性和女性生殖功能某些指标的差异有关,但临床影响仍不清楚。这些新发现提供了邻苯二甲酸酯以及可能还有其他内分泌干扰物可通过改变胎盘功能间接影响胎儿发育的证据。如同直接效应一样,这些间接效应可能会影响生命后期的疾病。“我们开始认识到,胎盘应付环境变化的方法,可能是胎儿发育编程中早先忽视但又非常重要的组成部分,”Adibi说。

标记物及作用机制

除荷兰饥荒研究外,二十世纪下半叶还进行了将婴幼儿出生体重和胎盘大小等特征与成人健康结果相关联的观察性研究。这些研究形成了后来成为DOHaD假说的科学依据。

20世纪90年代初,英国流行病学家David Barker报告说,英格兰南部某郡低出生体重的男女比较可能会患2型糖尿病和高血压,并在生命后期比正常出生体重的男女易于死于心脏病。Barker将其称之为“节俭表型”,即面临过营养不良的胎儿会出现有助于适应持续粮食短缺条件的某些代谢特征。在一个食物充裕的世界中,这些特征不利于他们的后期生命,他们易于患上体重过度增长症以及相关慢性病。Barker假设宫内环境的质量可能使胎儿的生理与代谢发生永久性改变,从而影响孩子的终身健康轨迹。

Barker及其他人的早期研究为我们了解DOHaD提供了丰富的资料。研究人员正在对引起部分早期形态学改变的表观遗传机制进行深入研究。基因表达的表观遗传调控可通过DNA直接甲基化实现。在甲基化时,称之为“甲基”的小分子以特定模式附于基因上。甲基化可以直接在DNA水平上打开或关闭基因,并对DNA是否能转录信使RNA(mRNA)产生影响。正是后来制造蛋白质的mRNA,指导着细胞的结构与功能。

一经转录,mRNA就可以被有助于调节基因表达的RNA的微小非编码链,即小RNA(miRNA)所“沉默”。miRNA不改变遗传密码,但在于影响其表达,为表观遗传调控提供了另一机制。

身体中的不同组织具有不同特征的DNA甲基化模式。这些甲基化模式构成个体表观基因组的基础。人类研究表明,内分泌活性化学物质、重金属、应激与营养不良等环境暴露可能影响胎儿脐带血中的DNA甲基化模式。研究人员正在对发育中形成的第一个复杂器官—胎盘,进行DNA甲基化的正常和异常模式的研究。Emory大学环境表观遗传学家Carmen Marsit表示:“胎盘组织比其他组织具有更高程度调控胎儿发育编程的能力和更广泛的影响。”

Marsit研究子宫内环境污染物(如砷)暴露与DNA甲基化模式间的关系。他们发现发生甲基化差异的位置,有助于研究人员确定可能在暴露途径中起重要作用的特定候选基因。

表观遗传学研究开始揭示胎盘表观基因组与许多婴儿健康标记物之间的联系。某些基因区域的DNA甲基化模式的变化与婴儿出生体重、出生胎龄和神经行为相关。Marsit说:“下一个重要的步骤就是了解这些表观遗传变化的功能含义—例如,DNA甲基化或miRNA表达模式的变化是否会改变对健康有重要意义的基因表达。”

胎盘发育周期图

北卡罗来纳大学教堂山分校毒理学家Rebecca Fry,搜寻了废弃胎盘中的分子线索,以帮助确定产前有毒金属暴露如何影响疾病的易感性。她发现先兆子痫与胎盘的镉等金属水平之间有关联。先兆子痫是一种妊娠并发症,导致胎儿氧合作用降低与代谢应激、母亲高血压,以及儿童后期心脏病与中风风险。该病约影响3~7%的妊娠。医生不知道先兆子痫的确切原因,但该病与胎盘的血管形成不良有关。阻止先兆子痫的唯一方法就是娩出胎盘,因此常常对子痫妇女进行引产,即便这意味着她们的孩子会早产。“这些婴儿后来出现了许多健康并发症,包括神经发育的相关问题,”Fry说。

Fry的研究评估了先兆子痫母亲胎盘表观遗传学模式的功能性结果,有助于阐明有毒金属与健康结局(包括婴儿生长、神经发育与免疫功能)间相关性的生物学通路。她说:“如果我们事先了解改变的是哪些生物学通路,我们就可以寻找治疗影响这些基因错误表达的方法。”

对结局的分子影响

对胎盘表观遗传修饰发生位置与途径的研究,使研究人员能更好地了解这一短暂器官的分子状态以及这些改变的功能相关性。

新近的研究已将miRNA与包括先兆子痫和胎儿生长受限在内的几种胎盘相关疾病联系起来。细胞研究进一步表明,胎盘暴露于包括金属和双酚A(BPA)在内的许多环境应激物时,可能会改变miRNA的表达。一项研究表明,在给予环境相关浓度BPA的细胞中,miRNA表达的改变使细胞对损害DNA的分子变得更加敏感。

研究乳腺癌早期危险因素的哈佛大学流行病学家Karin Michels说,miRNA可能提供疾病风险的极早期标记物。Michels说:“小RNA可以帮助我们定义发生在子宫内的癌症机制”。她最近证明,两类内分泌干扰物(邻苯二甲酸酯和酚类)的胎儿期暴露与近200名妇女新近分娩胎盘中miRNA表达模式的差异有相关性,提示了它们对人类毒性的可能机制。基因组印记也可以提供线索。对多数基因来说,我们遗传了两个工作拷贝(或等位基因)—每个亲本各一。而印迹基因,遗传的等位基因中仅一个有功能;另一等位基因被DNA甲基化所沉默。被沉默基因的拷贝取决于遗传该等位基因的亲代。

基因组印迹是已知的为数不多的跨代表观遗传(表观改变可从上一代传到下一代的过程)机制之一。许多印迹基因参与胎盘的发育和胎儿生长。印迹基因的问题与包括糖尿病、癌症、生殖疾病和行为障碍在内的许多疾病有关。在实验研究中,有毒金属和内分泌活性化学物的暴露与胎盘中印迹基因调控上的差异有关,但目前尚不清楚这些改变对发育中胎儿的长期健康有何意义。

DOHaD假说有一个始终如一的特征,即许多疾病的发生与进展有性别差异。神经发育与认知技能的获得也有性别差异。实验模型表明,生命早期的环境损伤可以造成成人心脏病风险的性别差异。然而,目前尚不清楚生物学性别影响疾病进展的确切机制。研究人员确信以上差异可以追溯到胎盘。

包括人在内的许多哺乳动物,都表现出胎盘结构与功能的性别差异。密苏里大学兽医与环境科学家Cheryl Rosenfeld解释说,男性与女性胎儿的胎盘在处理环境应激的方式上可能存在差异,她说这种差异可能使男女孩的健康轨迹不同。

Rosenfeld证明,支持雌性小鼠幼崽的胎盘比雄性幼崽的胎盘对母体饮食的变化更敏感。对小鼠母体饮食的进一步研究发现雄性和雌性后代胎盘中的DNA甲基化和基因表达模式的差异,以及后代如何对高脂肪饮食做出反应的相关性别依赖性差异。啮齿动物的母体应激同样导致雄性与雌性胎盘的表观遗传调节和基因表达模式的差异,雄性后代继续发育成为适应不良炎症和作为成年人的应激行为反应。

研究人员假设胎盘在影响人类心血管和脑发育的方式上有性别差异,1944年的荷兰饥荒为人类胎盘–心脏关系提供了证据。男性似乎受某些疑似源自胎盘的心血管和神经系统疾病的影响特别大。饥饿岁月顶峰期的宫内男胎有胎盘畸形,这些变化与生命后期发生的高血压有关,女儿则未见此种相关性。然而,很少有研究调查过胎盘对特定暴露反应的性别依赖性差异。

机遇与挑战

Rosenfeld说:“所有胎盘都在母亲与胎儿之间起到缓冲作用,但没有另一种器官的结构在不同物种间进化得如此不同。在某些物种中起重要作用的分子途径在其他物种中可能不存在。例如,小鼠胎盘不产生hCG,但有其他方法达到人hCG指导的调节功能。

胎盘结构的多样性使得研究人员难以建立合适的动物模型验证因果机制。诸如先兆子痫这样的胎盘疾病,可能也难以动物建模。

研究人员正在寻找用于潜在实验模型的胚胎干细胞。人胚胎干细胞可转化为胎盘细胞,可以将这些细胞暴露于不同应激源,以复制人类妊娠的部分条件。Rosenfeld说,有一种体外方法可以深入了解在胎盘形成的最早阶段,甚至在胎盘附着于子宫之前发生的干扰。

评价胎儿发育关键期的胎盘是另一个挑战。大多数的人胎盘研究是以足月分娩的胎盘为对象,但足月胎盘的外观和功能与妊娠前三个月的胎盘相差甚远。“就像是研究一颗已停止跳动后的心脏一样。”Eunice Kennedy Shriver国立儿童健康与人类发育研究所的转化科学家David Weinberg说:“为真正了解胎盘的功能与发育,我们必须要能在整个妊娠期对其进行监测。”

Weinberg是该研究所的人类胎盘项目(Human Placenta Project, HPP)负责人。HPP推出于2014年,旨在更好地了解胎盘如何影响母亲与胎儿,不论在妊娠期还是后期的健康影响。HPP研究人员正在努力开发新技术和新方法,以期对整个妊娠期胎盘发育与功能进行无创、实时评估。Weinberg说,正在开发中的许多工具将使研究人员能够更好地评估环境对胎盘的影响。

据Weinberg说,有一个令人兴奋的方法,是对胎盘来源的外泌体(生物液体中将胎盘信息传回母亲的小细胞结构)的研究。研究人员正通过对其丰度和结构的研究了解这些外泌体在整个妊娠期的变化。这些分子也许可提供用母血测定胎儿健康的实时标记物。

Weinberg说,除了更好地了解胎儿发育编程外,胎盘还可向更广泛的科研界提供许多有价值的成果。例如,了解胎盘细胞如何增殖和侵入子宫壁,可能对癌症研究人员有所启发。他说:“我们认为,对以上过程的理解不仅有益于母亲与胎儿,而且还可促成远超妊娠的科研成果。”

独特的胎盘微生物?长期以来科学家一直认为子宫是无菌的环境,但事实证明胎盘可能并非无菌。最近的研究表明,所有胎盘都含有少量细菌。 2014年,贝勒医学院胎儿医学专家Kjersti Aagaard领导的一个小组发现,320名健康人妊娠的胎盘中有明显的微生物特征。今年早些时候发表的一项研究表明,这些胎盘微生物可能在出生前不久开始在人肠道繁殖。

对以上结果尚有争议。有些研究者认为要谨慎对待,在诸如胎盘这样的样品中有少数细菌的微生物发现,它可能是DNA污染的结果。对于人胎盘中细菌是否构成真正的微生物组(即持续而独特的微生物定居群落),以及这些细菌如何到达那里依然存在疑问。

Aagaard现正使用实验动物推断包括孕妇饮食在内的环境因素如何影响这种潜在胎盘微生物组。对胎盘微生物组的探索可能提供关于DOHaD的关键见解。Aacoard说:“微生物组有助形成我们的代谢基础。”“如果你在发育的某关键窗口期干扰了该代谢环境,将会影响终身。”

在一项研究中,胎盘微生物组有着与口腔微生物组相类似的分类学特征,在此以Bray-Curtis(B-C)差异度予以说明。B-C差异度反映了两个位点具有相异组成的程度,0表示完全相似,1表示完全不同— 连接线越粗,分类特征的相似度越高。
Aagaard et al。(2014)

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Lindsey Konkel, 定居在新泽西州,是报道科学、健康与环境的记者。

译自EHP 124(7): A124-A129 (2016)

翻译:李卫华

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A124