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微量营养素胎盘转运机制的研究进展2023摘要胎盘对于妊娠期胎儿的营养摄取至关重要。胎盘可调节、分配、转运及合成胎儿发育和妊娠维持所需的重要营养物质、激素和生长因子，清除胎儿循环中的代谢废物，并通过胎盘屏障阻止胎儿的有毒物质暴露。胎盘功能与胎儿生长受限、妊娠期高血压疾病的发生密切相关。而胎盘转运的必需微量营养素中，铁、钙、维生素D、叶酸等的胎盘转运机制虽然尚不明确，但已有一定的研究基础。本文结合已有的研究策略进行综述，为胎盘转运障碍的研究提供基础。胎盘的正常功能对于维持正常的围产结局至关重要1。胎盘可调节、分配、转运及合成胎儿发育和维持妊娠所需的重要营养物质、激素和生长因子，清除胎儿循环中的代谢废物，并通过胎盘屏障阻止胎儿的有毒物质暴露。研究表明，胎盘功能不全会导致胎儿营养素和氧供应不足，从而导致胎儿生长受限的发生2。因此，物质的胎盘转运机制始终是研究领域关注的热点。为了避免药物、感染及外源性暴露对于胎儿的不良影响，防止必需营养素缺乏导致的胎儿生长受限3-7,大量研究使用组织工程和微生理系统等，针对物质的胎盘转运机制开展研究。本文以铁、钙、维生素D、叶酸等妊娠必需微量营养素8,9的转运机制为基础，对于其胎盘转运机制的研究进行综述，以期为妊娠期胎儿的外源性物质暴露提供线索。一、胎盘转运的生理基础母胎之间的界面为胎盘屏障，氧气等小分子物质可以通过简单扩散穿过胎盘屏障，而大多数物质，包括生物小分子物质、抗体和药物等则需要通过蛋白依赖性通道，以异化扩散或主动运输的形式，在母胎间双向穿过胎盘屏障10,11O为了促进必需营养素的吸收和潜在有毒物质的阻挡及排出，胎盘的母体面和子体面在结构和生化方面具有一定的差异性，体现在：(1)胎盘母体面富含转运蛋白，包括转入蛋白(增加必需营养素的转入)和转出蛋白(排出非必需物质)12；(2)胎盘子体面虽然缺乏微绒毛，但也存在较少的转运蛋白12,例如有机阴离子转运蛋白4(OrganiCaniOntransporter4,0AT4)等。不良外源性物质也可以通过必需营养素的转运机制进入胎儿体内，从而导致胎儿的暴露，例如抗生素、抗抑郁药可以与乳酸、叶酸、L-精氨酸等必需营养素竞争,通过肉碱/有机阳离子转运体2(organiccation/carnitinetransporter2,0CTN2)通路进入胎盘屏障。这一方面降低了胎儿必需营养素的摄取，另一方面也导致了胎盘及胎儿暴露于不良外源性物质13。综上所述，对于必需营养素，尤其是必需微量营养素的胎盘转运通道及转运机制进行深入研究，可为减少外源性潜在有毒物质暴露、保证妊娠期母胎正常营养素的摄取提供线索。二、妊娠必需微量营养素的母胎转运1.铁：铁是妊娠期最重要的营养素。Daru14的研究显示，产前每日口服铁剂可显著降低孕妇缺铁性贫血和胎儿低出生体重的风险；具进一步的剂量反应分析发现,当补铁剂量增加到66mg/d以上与WHO的治疗标准(60mg/d)接近,孕妇贫血率呈线性下降，而孕妇产前血红蛋白水平及新生儿出生体重呈线性升高。而当孕妇贫血时，则会导致一系列不良妊娠结局的发生，瑞典一项出生队列研究(n=532232)显示，妊娠30周内的孕妇贫血与子代自闭症谱系障碍、注意力缺陷或多动障碍、智力障碍的发生风险升高存在相关性15。为了维持正常的红细胞需求、胎盘功能及胎儿发育，孕妇对铁的需求量大幅增加。研究表明，妊娠期母体需铁量约为104Omg16,其中，胎儿所需约为27Omg17,胎盘自身所需约90mg18见表1。铁的胎盘转运是单向的19,妊娠早期铁需求量约为1mg/d,妊娠中期为45mg/d,妊娠晚期达到高峰,为6mg/d18o表1妊娠期以：体的铁平衡铁去向铁量(mg)孕期母体的铁总需求量-1040胎儿需铁量-270胎盘需铁量-9()母体基线丢失铁量-230孕期因母肌红细胞数量增多,导致的需铁量-450分娩导致的铁量改变+300分娩时母体因失血而丢失的铁卡-150分娩后，因母血红细胞数家减少，导致铁释放.母体内铁址增加+450妊娠期母体铁的净损失量-740研究表明，铁元素主要以与铁转运蛋白(ferroportin,FPN)、铁蛋白或与血红蛋白复合的形式存在于体内。其中与FPN结合是胎盘吸收铁的主要形式。对21例非贫血孕妇的胎盘研究显示，胎盘组织中FPN的表达水平随孕周的增加而升高20;而完全敲除小鼠转铁蛋白受体1(transferrinreceptorprotein1,TFR1)基因将导致胚胎严重贫血,于妊娠第12.5天导致死胎发生，此外，直到妊娠第10.5天胎盘仍有红细胞生成21,22,这提示胎盘可以利用或转运其他形式的铁。然而,对于胎盘在何种情况下会利用或转运其他形式铁，尚无明确的研究结论。关于胎盘组织中铁转运的具体细胞，既往研究主要关注合体滋养细胞对铁的转运，而对胎盘组织中其他类型的细胞(如间充质细胞、Hofbauer细胞、成纤维细胞、内皮细胞等)关注较少23。合体滋养细胞胞质内，铁的具体转运机制也尚不清楚，目前的推测主要是类比其他类型细胞的铁转运(1)胞质内的铁通过聚结合蛋白poy(rC)-bindingprotein,PCBP2递送至合体滋养层胎儿侧的FPN,再通过FPN转运至胎儿24；(2)通过PCBPl递送至铁蛋白中，通过铁自噬25,最终转运至胎儿。虽然目前在小鼠模型中已证明PCBP1、PCBP2和铁蛋白H亚基的完全敲除具有胚胎致死性26,但其是否为胎盘特异性尚不明确。胎儿体内的铁水平受到母体循环中可用铁、胎盘组织中FPN表达水平的影响。研究表明，胎儿和母体循环的铁水平会调节FPN的表达。虽然目前的研究认为胎盘组织中FPN水平与孕妇缺铁和贫血并无显著相关性27,28,但这可能是由于现有的FPN抗体效力较低导致。Sangkhae等29使用小鼠模型研究了母胎的铁稳态机制，结果显示，母体富含铁时，通过上调铁调素(hepcidin),与FPN结合而抑制铁从母体转运至胎儿，保护胎儿免受铁过载(ironoverload)的影响;而母体缺铁时，虽然铁调素水平下降，但通过增加母体对食物中铁的吸收、增加母体储存铁的动员、增加胎盘摄取铁的TFR1的表达水平，将一定程度代偿胎儿的缺铁情况，但总体而言，并不能使胎儿免于缺铁性贫血。令人惊讶的是，母体缺铁时，胎盘转运机制优先保留胎盘而非胎儿的铁含量,例如下调胎盘输送铁至胎儿的FPN的水平，使胎盘缺铁程度较轻而导致胎儿发展为缺铁性贫血。然而，值得注意的是，虽然严重缺铁的孕妇(通过滋养层细胞模拟)与严重缺铁的应激小鼠模型结果类似，但在仅轻度缺铁的孕妇(通过滋养层细胞模拟)中，TFR1蛋白的表达增加，而FPN的表达无显著变化29。综上，在母体缺铁的情况下，为了保证胎盘组织的铁含量，胎盘从母体循环中摄取铁的TFR1表达水平上调，而介导铁转运至胎儿的FPN表达水平下调或不发生变化。研究已证实，妊娠期需要充足的铁供应，但对铁的胎盘转运机制及调节的理解十分有限。确定胎盘和胎儿可以利用的铁种类,并阐明控制胎盘铁转运的母胎调节机制，对于提高妊娠期铁代谢的理解及母胎管理至关重要。2 .钙：钙离子作为细胞内第二信使，调节细胞分裂、分化、死亡等各种细胞功能，对细胞的生长发育至关重要30。钙离子进入细胞的可能通路是电压依赖性钙离子通道(voltage-dependentCa2+-permeablechannelszVDCC瞬时受体电位(transientreceptorpotential,TRP)相关的钙离子通道、钙池操纵的钙离子通道(store-operatedCa2÷channelszSOC);而血浆膜钙离子三磷酸腺昔酶(plasmamembraneCa2+ATPaseszPMCA)和钠/钙交换体(Na+/Ca2+exchangers,NCX)主要负责将钙离子泵出30。妊娠期胎盘合体滋养细胞将母体80%(约30g)的钙主动转运至胎儿，并于妊娠晚期达到转运最高峰,从而保证胎儿骨矿化需求的增长30,31。钙离子在滋养层的主动转运主要涉及3种机制：(1)母血的钙离子通过TRP亚家族V成员6(TRPV6),依赖电化学梯度，从合体滋养层的母体侧进入合体滋养层；(2)在合体滋养层内,钙离子与钙结合蛋白D9K结合；(3)在合体滋养层的胎儿侧基底膜，钙离子通过PMCA转运至胎儿侧的胎盘细胞外液30。研究表明，如果TRPV6基因突变为功能丧失型(lossoffunction),则将导致母胎钙转运受损,从而导致胎儿钙缺乏、甲状旁腺功能亢进和代谢性骨病32。3 .维生素D:骨化三醇是维生素D的活性形式，可以增加成人肠道对钙和磷酸盐的吸收，增加两者的肾小管重吸收以及提供新骨形成所需的矿物质，在钙和磷酸盐代谢中起重要的调节作用。然而，胎盘转运的骨化三醇可能对胎儿影响较小。研究表明，(1)母体增加药理剂量的骨化三醇可增加胎盘的钙转运；(2)血液循环中骨化三醇水平高且胎盘组织中无维生素D受体(vitaminDreceptor,VDR)的胎儿也增加了胎盘的钙转运;(3)上述两种模型的胎盘中，甲状旁腺激素相关蛋白(parathyroidhormone-relatedproteinzPTHrP)和钙离子通道TRPV6的表达均上调33-35。提示，胎儿的钙吸收为VDR不依赖型，母体外源性摄入骨化三醇将促进母体肠道的钙吸收，增加母体循环中的钙水平，从而增加钙的胎盘转运；母体外源性摄入的骨化三醇并非直接通过胎盘转运而增加胎儿循环中骨化三醇水平，继而增加胎儿的钙吸收36。另一方面，动物模型表明，胎儿肾切除术将导致胎儿血清骨化三醇水平显著下降33,提示，胎儿体内骨化三醇的主要来源可能是胎儿肾脏内源性产生的，而非从胎盘获得的外源性骨化三醇37。4 .叶酸：叶酸作为体内一碳单位的重要运载体，在DNA合成中发挥着重要作用。妊娠期细胞存在快速分裂、生长的特点，因此，妊娠期充足的叶酸水平对正常的母胎结局至关重要38。细胞摄取叶酸是由特定的转运蛋白介导的,包括叶酸受体(folatereceptor-zFR-a)质子偶联的叶酸转运蛋白(proton-coupledfolatetransporterzPCFT)和还原性叶酸转运体(reducedfolatecarrier,RFC)等。既往研究表明，这些转运蛋白在胎盘组织中也有表达39-41。其中，FR-在中性环境下对合成叶酸(单谷氨酸形式)和叶酸的还原形式甲基四氢叶酸(methyltetrahydrofolate,MTHF)都有很高的亲和力，FR-C通过糖基磷脂酰肌醇锚定在合体滋养层的母体侧微绒毛质膜(microvillousmembrane,MVM)上，并通过受体介导的胞吞/胞吐作用介导叶酸摄取，然后通过胎儿侧基底膜的RFC或PCFT将MTHF转移至胎儿。三、胎盘转运蛋白的模型和现有研究方法的比较如上所述，为了研究胎盘的转运和屏障机制，目前已建立了一系列体内及体外模型，包括滋养层细胞系模型、绒毛膜癌细胞系模型、离体胎盘灌注模型、基于水凝胶的胎盘器官模型42、基于芯片的胎盘器官模型43等，各种模型的优缺点见表2。虽然具有相似的盘状形状和半绒毛性质，啮齿动物（如小鼠等）与人类胎盘之间仍存在显著的种属差异44,具体体现在转运蛋白的不同定位、底物、调节方式、表达丰度等45,而灵长类动物则因为伦理等原因而较少用于胎盘转运的研究。因此，迄今为止，大多数胎盘转运机制的研究仍建立于分娩后胎盘组织、体外细胞模型等。此外胎盘离体灌注模型由Panigel等46提出，常用于药代动力学研究，该模型虽然为胎盘作为一个器官的整体研究提供了可能，但其存在一定的缺陷，比如通量较低、缺少标准化流程、难以再现、胎盘组织体外生存时间较短（24h）47、组织来源局限性大（局限于妊娠晚期分娩的胎盘考虑到胎盘在妊娠期间呈现高度的动态变化，许多细胞系被用于模拟具有生理意义的胎盘，包括原代滋养层细胞系（primaryhumantrophoblastcells,PHT永生化的滋养层细胞系、绒毛膜癌细胞系的克隆11。细胞培养不受胎盘离体培养的生存时间所限制，且穿膜小室实验具有相对标准化的步骤，可重复性强，被广泛用于胎盘转运机制的研究。然而，虽然PHT细胞可以为胎盘转运机制提供直接证据，但由于伦理的限制，PHT细胞只能来源于早期流产或足月产的胎盘组织，不能很好地模拟妊娠中期；此外，高难度的分离纯化和不同样本之间的较大变异性（不同胎龄、胎盘取样面积、污染等）都为PHT细胞的使用带来较大挑战48。同样，永生化的滋养层细胞系，如HTR-8/SVneo（非恶性）和ACH-3P（恶性）等细胞也存在高难度分离纯化和可重复性较低的问题49,50。而绒毛膜癌细胞系，如BeWosJeg-3和JAR等细胞则是胎盘转运机制的经典模型,其与滋养层细胞在屏障功能、激素释放和转运蛋白表达等关键特征上具有高度的相似性49,但在转运蛋白和转运机制方面，仍存在一定的差异。因此，为了确保准确性，绒毛膜癌细胞系的研究结果可能需要与PHT细胞进行比较，并同时于在体动物实验中进行验证。表2胎盘转运机制不同研究模型的优跳点比较类别优点缺点滋养U细胞系模型PHTalIS可较好根拟合体滋养了都以分离提纯、不同样本之间存在:较大不同性、妊娠中IW琳以取样IITR-8（非恶性）,ACH-3P（慝性）细第永生化睢以分离提纯.可爪乂性度城E腴瞄细眼系模嗔B<UoJeg-3JAK细胞。滋养U细胞具行相似的屏障功他.激素择放和转运送白友达转运就门和转Jfi机制方面存在一定片H.焉PHT细胞模F等迸"验证肉体命盘漉注模型从器Tf播体评估舱以转诏体外上“时间祗.»少标点化步骤.«W再现泉于水凝胶的胎做模型3D血管:化的人I京发性胎盘价隙模嗔JL仃皓球组织和肽雷系统的模地构建时间及（24h）.能较好模拟胎妆的生理特点和功能胎血相大研究较少.近生理性“在定争议装r芯片的胎做器官模型规模小.耗材少,高通量依测敏感度低,不能大规模制作,不徙模拟整个妊幄期注：PHT衣示胡代滋养展细跑系目前，关于胎盘转运机制已建立相对完善的研究方法，但既往研究大多聚焦于药物的转运机制；而叶酸、维生素D、钙等微量营养素的研究更多是从评估母胎的血浓度出发，提出胎盘转运方法的可能猜测，例如钙的脐血浓度高于母血则推测其胎盘转运方式为主动转运31。关于微量营养素具体的胎盘转运通道及机制，仍存在研究较少且较为单薄的问题。然而，研究妊娠期微量营养素的胎盘转运机制，将有助于理解该转运通道在胎盘组织中表达的意义，以及营养素缺乏导致不良妊娠结局的机制，从而为妊娠期营养素摄入及不良外源性暴露的管理提供线索。