胎盤線粒體功能在妊娠并發(fā)癥發(fā)生機(jī)制中作用的研究

計恩婷，許雅絢，張春仁，胡敏，馬紅霞

胎盤是妊娠的重要器官，其通過提供營養(yǎng)和氧氣、清除代謝廢物、合成激素以及保護(hù)胎兒免受炎癥影響來保證胎兒的正常生長發(fā)育[1]。胎盤發(fā)育和功能異常是大多數(shù)產(chǎn)科疾病的病理基礎(chǔ)，流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，全球每年有超過七百萬孕產(chǎn)婦患有流產(chǎn)、子癇前期（preeclampsia，PE）、妊娠期糖尿?。╣estational diabetes mellitus，GDM）等妊娠并發(fā)癥，大部分與胎盤發(fā)育和功能異常相關(guān)，嚴(yán)重威脅孕產(chǎn)婦生命質(zhì)量與胎兒遠(yuǎn)期健康[2]。目前研究表明，由線粒體動力學(xué)改變、生物發(fā)生減少、線粒體DNA（mitochondria DNA，mtDNA）突變、呼吸鏈損傷等造成的胎盤線粒體功能障礙，會使胎盤內(nèi)氧化應(yīng)激水平增高、內(nèi)分泌活動紊亂，使胎盤處于局部缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致胎膜早破引起早產(chǎn)，也是誘發(fā)流產(chǎn)、PE 和GDM 的重要原因[3]。因此，了解胎盤線粒體的生理病理對認(rèn)識流產(chǎn)、PE以及GDM 的發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要。

1 胎盤線粒體功能

胎盤的正常生長發(fā)育及功能的正常發(fā)揮，均有賴于線粒體提供能量。線粒體是腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的主要來源，線粒體利用脂肪酸β 氧化和三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量。具體來說，線粒體通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）產(chǎn)生ATP，同時生成副產(chǎn)物活性氧（reactive oxygen species，ROS）。ROS 是含氧的化學(xué)反應(yīng)分子，正常生理情況下，ROS 對哺乳動物細(xì)胞的生物學(xué)功能如增殖、代謝、基因表達(dá)和免疫應(yīng)答等具有重要影響；但ROS 水平過高會引起生物體和組織中氧化應(yīng)激水平增高，從而導(dǎo)致相關(guān)損傷，同時對線粒體自身結(jié)構(gòu)和功能造成不利影響，如mtDNA 復(fù)制異常、線粒體膜電位喪失、電子傳遞鏈功能改變等。在妊娠期間，由于胎盤功能會隨胎兒生長和胎盤發(fā)育的變化而改變，因此，線粒體的含量、結(jié)構(gòu)和功能在支持胎盤高度動態(tài)變化的能量需求方面具有重要作用[4]。

在妊娠前期，胎盤處于低氧環(huán)境，胎盤絨毛膜結(jié)構(gòu)中的線粒體呈橢圓形或圓形，含量相對較低。當(dāng)母胎循環(huán)建立后，線粒體動態(tài)重塑，嵴不規(guī)則，線粒體含量增加，ATP 生成增加。但在妊娠后期，為最大限度地向胎兒輸送營養(yǎng)與氧氣，線粒體呼吸速率與含量的比值降低[5]。胎盤線粒體除了具有時間可塑性外，其含量、結(jié)構(gòu)和功能在不同的細(xì)胞譜系中也存在異質(zhì)性。絨毛滋養(yǎng)層細(xì)胞譜系作為胎盤功能的核心，主要包括合體滋養(yǎng)層（syncytiotrophoblast，STB）和細(xì)胞滋養(yǎng)層（cytotrophoblast，CTB），STB 是胎盤進(jìn)行新陳代謝的主要場所，而CTB 則具有更高的氧化磷酸化和糖酵解能力。在形態(tài)上，CTB 的線粒體較大，呈橢圓形，具有層狀嵴；而STB 的線粒體較小，呈圓形，為管狀嵴，基質(zhì)密度較低。在功能上，STB 線粒體主導(dǎo)包括孕酮在內(nèi)的類固醇激素的生成以維持正常妊娠，而CTB 線粒體則為CTB 向STB 的融合轉(zhuǎn)變提供能量[6]。此外，絨毛外滋養(yǎng)細(xì)胞為入侵子宮蛻膜和重構(gòu)螺旋動脈，其線粒體蛋白表達(dá)增加，呼吸速率及ATP 產(chǎn)生也更高[7]。因此，線粒體形態(tài)、含量及功能在胎盤生長發(fā)育和維持正常妊娠方面起重要作用，其含量、結(jié)構(gòu)和（或）功能失調(diào)會對胎盤及妊娠健康產(chǎn)生負(fù)面影響。

2 胎盤線粒體功能異常與妊娠并發(fā)癥的發(fā)生機(jī)制

2.1 流產(chǎn)流產(chǎn)是指妊娠不足28 周，胎兒質(zhì)量＜1 000 g 而妊娠終止。雖然流產(chǎn)是與胎盤慢性炎癥相關(guān)的常見的妊娠并發(fā)癥之一，但目前其具體發(fā)病機(jī)制尚不清晰，對流產(chǎn)患者的胎盤絨毛進(jìn)行全基因組表達(dá)譜的富集分析后發(fā)現(xiàn)，胎盤線粒體功能障礙是誘發(fā)流產(chǎn)的重要原因[8]。在流產(chǎn)患者的胎盤中，與線粒體相關(guān)的氧化還原生物調(diào)節(jié)通路下調(diào)會引起胎盤線粒體氧化還原平衡失調(diào)、谷胱甘肽代謝及氧化磷酸化等過程異常，導(dǎo)致ROS 產(chǎn)生增加、氧化應(yīng)激水平加重，進(jìn)而引起線粒體呼吸鏈?zhǔn)軗p，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致胎盤損傷，發(fā)生流產(chǎn)。此外，流產(chǎn)患者的胎盤線粒體中細(xì)胞色素P450 酶活性異常，降低了膽固醇轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮的效率，同時增加了雄烯二酮和睪酮的水平，誘發(fā)流產(chǎn)[9]。相關(guān)嚙齒類動物的研究也觀察到類似結(jié)果。多囊卵巢綜合征懷孕大鼠的胎盤中凋亡誘導(dǎo)因子與線粒體相關(guān)的mRNA 表達(dá)增加，線粒體形態(tài)異常，ROS 水平增加，誘導(dǎo)胚胎丟失[10]。

在對流產(chǎn)胎盤中的線粒體功能進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，線粒體動力學(xué)異?；蚣せ畹蛲黾壜?lián)反應(yīng)是引起早期流產(chǎn)的重要因素。線粒體動力學(xué)是線粒體不斷融合-裂變的過程。線粒體融合可以增加氧化磷酸化和生物能量效率，而線粒體裂變則有助于線粒體自噬以去除受損的線粒體。線粒體融合包括由融合蛋白1（mitofusin 1，Mfn1）和Mfn2 介導(dǎo)的外膜融合以及由視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）控制的內(nèi)膜融合。線粒體裂變則是由動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）驅(qū)動的。研究表明早期流產(chǎn)會抑制胎盤線粒體融合，如在早期流產(chǎn)胎盤中Mfn2 表達(dá)降低，Drp1 表達(dá)增強(qiáng)[11-12]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在因缺乏Mfn1 或Mfn2 導(dǎo)致小鼠流產(chǎn)的胚胎成纖維細(xì)胞中出現(xiàn)不同類型的碎片狀線粒體，被認(rèn)為是線粒體融合嚴(yán)重減少所致[13]。

此外，流產(chǎn)患者胎盤中的氧化損傷等細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激反應(yīng)會激活線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡主要涉及細(xì)胞壞死和內(nèi)在細(xì)胞凋亡。與通過細(xì)胞膜中的死亡受體啟動的外在細(xì)胞凋亡相反，內(nèi)在細(xì)胞凋亡由線粒體外膜中的B 細(xì)胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，BCL-2）蛋白家族控制。當(dāng)出現(xiàn)mtDNA損傷等引起的凋亡刺激時，位于細(xì)胞質(zhì)中的BCL-2相關(guān)X 蛋白（BCL-2-associated X protein，Bax）易位至線粒體外膜，單獨(dú)或與BCL2 拮抗/凋亡因子1（BCL2 antagonist/killer 1，BAK1）一同導(dǎo)致線粒體外膜透化，隨后細(xì)胞色素C 和其他凋亡蛋白釋放到細(xì)胞質(zhì)中，激活胱天蛋白酶（caspase）相關(guān)凋亡蛋白，引起細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)蛋白被裂解，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。多項研究顯示，早期流產(chǎn)和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)患者的胎盤中均存在BCL-2 及Bax 蛋白表達(dá)的增高[14-15]。此外，由于細(xì)胞凋亡增加，流產(chǎn)胎盤的滋養(yǎng)細(xì)胞中可觀察到線粒體腫脹[16]。

2.2 PEPE 是一種臨床妊娠綜合征，影響約5%的初產(chǎn)婦。PE 作為妊娠期間出現(xiàn)的新發(fā)高血壓疾病，會引起全身小血管痙攣和血管內(nèi)皮損傷，可導(dǎo)致胎盤早剝、腦血管和多器官功能障礙以及彌散性血管內(nèi)凝血等并發(fā)癥的發(fā)生，同時還可誘發(fā)早產(chǎn)。目前研究認(rèn)為PE 是由胎盤ROS 增加和（或）抗氧化活性降低所引起的，并且與母體循環(huán)和胎盤中脂質(zhì)過氧化增高以及抗氧化活性降低密不可分。

線粒體作為細(xì)胞內(nèi)消耗氧的主要細(xì)胞器，是PE中ROS 和氧化應(yīng)激水平升高的重要來源。因此，胎盤線粒體功能障礙可能是引起PE 發(fā)病的重要機(jī)制之一。Long 等[17]認(rèn)為在PE 胎盤線粒體中控制線粒體含量或功能的途徑異常，會引起ROS 水平升高，誘導(dǎo)螺旋動脈重塑受損、子宮胎盤血流量減少和母體血壓升高，從而促進(jìn)PE 的發(fā)生發(fā)展。其中線粒體自噬和線粒體生物發(fā)生這兩種途徑的異常與PE 的發(fā)展關(guān)系密切。線粒體自噬是為了維持健康的線粒體池，自噬體隔離受損或多余的線粒體，隨后轉(zhuǎn)移到溶酶體進(jìn)行降解。其中，磷酸酶和天絲蛋白同源物誘導(dǎo)的蛋白激酶1（PTEN-induced putative kinase protein 1，PINK1）和E3 泛素連接酶（Parkin）構(gòu)成了線粒體自噬的主要途徑。此外，BCL-2 腺病毒/E1B 19kD 相互作用蛋白3（BCL-2/adenovirus E1B 19 kDa-interacting protein 3，BNIP3）也參與線粒體自噬過程。研究發(fā)現(xiàn)，PE 胎盤線粒體PINK1、Parkin 和BNIP3 蛋白水平顯著升高，提示線粒體自噬增加[18-19]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，PE 與胎盤BNIP3 表達(dá)減少有關(guān)，提示線粒體自噬減弱[20]。

線粒體生物發(fā)生是通過原有線粒體的生長和分裂來增加線粒體數(shù)量的過程。其主要涉及mtDNA 的復(fù)制以及核DNA 和mtDNA 編碼的蛋白質(zhì)的表達(dá)，此過程受過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activatedreceptor-gamma coactivator-1α，PGC-1α）調(diào)節(jié)。Ricci 等[21]觀察到，PE患者的胎盤中線粒體基因組發(fā)生突變。同樣，Holland 等[22]也檢測到遲發(fā)性PE 胎盤中的mtDNA含量增加，證明了線粒體生物發(fā)生水平升高。但有研究發(fā)現(xiàn)，參與線粒體生物發(fā)生調(diào)控的關(guān)鍵分子的mRNA 和蛋白質(zhì)水平在PE 胎盤中較低，表現(xiàn)為PGC-1α水平降低[23]。相關(guān)動物研究也得出相似結(jié)果，懷孕大鼠的血漿睪酮水平升高會導(dǎo)致胎盤線粒體的結(jié)構(gòu)損傷和mtDNA 拷貝數(shù)減少，同時降低胎盤中PGC-1α和核因子E2 相關(guān)因子1（nuclear factor E2 associated factor 1，Nrf1）的mRNA 和蛋白表達(dá)[24]。

另一方面，PE 所引起的長期缺氧或連續(xù)的缺血/復(fù)氧循環(huán)會導(dǎo)致線粒體備用呼吸能力進(jìn)一步耗盡，ATP 生成不足，ROS 產(chǎn)生過多，引起胎盤線粒體損傷，最終導(dǎo)致線粒體功能障礙[25]。mtDNA 是線粒體功能障礙的生物標(biāo)志物，Williamson 等[26]發(fā)現(xiàn)，mtDNA拷貝數(shù)隨著PE 婦女的妊娠進(jìn)展而增加。而滋養(yǎng)層mtDNA 拷貝數(shù)增加會激活NOD 樣受體蛋白3（NODlike receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體并誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞焦亡[27]。此外，mtDNA 異常增多還會激活核酸敏感型Toll 樣受體9（Toll-like receptor 9，TLR9）活性，導(dǎo)致PE 患者妊娠期的先天免疫應(yīng)答升高，炎癥反應(yīng)增加[28]。因此，妊娠早期線粒體抗氧化功能的損害可能會隨著妊娠進(jìn)展而加重，并通過增強(qiáng)炎癥反應(yīng)促進(jìn)PE 的發(fā)展。

2.3 GDMGDM 是一種異質(zhì)性疾病，與D-葡萄糖耐受不良和胎兒胎盤血管功能障礙有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)患有GDM 的女性在妊娠前就存在慢性胰島素抵抗引起的β 細(xì)胞功能障礙，而妊娠后期的生理性胰島素抵抗加重了抵抗程度，導(dǎo)致葡萄糖水平升高[29]。GDM 的全球發(fā)病率一直處于上升狀態(tài)，且在我國的發(fā)病率高達(dá)14%[30]。GDM 不僅會增加產(chǎn)婦流產(chǎn)、早產(chǎn)、剖宮產(chǎn)等風(fēng)險，還會影響子代健康，導(dǎo)致新生兒低血糖、巨大兒、病理性黃疸等的發(fā)生，同時使子代兒童期和成年期肥胖率及心臟代謝風(fēng)險增加。研究表明高血糖環(huán)境與氧化應(yīng)激密切相關(guān)。與正常妊娠婦女相比，GDM 患者存在ROS 過度產(chǎn)生和自由基清除機(jī)制受損的情況，抗氧化系統(tǒng)的異常使氧化應(yīng)激水平增高[31]。線粒體作為ROS 主要來源，胎盤線粒體功能異常已成為GDM 的特征之一。

目前主要觀點(diǎn)認(rèn)為GDM 的發(fā)生發(fā)展與胎盤內(nèi)皮和滋養(yǎng)層的線粒體功能障礙相關(guān)。在GDM 的胎盤內(nèi)皮細(xì)胞中，鈉氫交換體1（Na+/H+exchanger 1，NHE1）活性增加，H+外流增加，引起細(xì)胞外酸化和細(xì)胞內(nèi)H+濃度降低，內(nèi)皮細(xì)胞中的pH 值呈堿性，導(dǎo)致線粒體膜間隙中的H+濃度以及電子呼吸鏈中的F0F1-ATP 合成酶的生物利用率降低。由于線粒體會通過F0F1-ATP 合成酶的氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，因此NHE1 活性增加會導(dǎo)致線粒體ATP 生成減少。因此，GDM 相關(guān)的胎盤內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙可能涉及線粒體ATP 生成減少[32-33]。在將GDM 患者的臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行能量代謝分析后發(fā)現(xiàn)，ATP 處于低水平狀態(tài)，提示線粒體功能障礙，激發(fā)了內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[34]。同時從GDM 患者臍靜脈中分離出的內(nèi)皮細(xì)胞也表現(xiàn)出增殖減少和恢復(fù)效率降低，該過程高度依賴ATP 的細(xì)胞內(nèi)水平[35]。

胎盤滋養(yǎng)層中存在不同細(xì)胞譜系的線粒體亞群，在一定程度上使GDM 的病理機(jī)制復(fù)雜化。具體來說，GDM 女性胎盤組織STB 和CTB 都表現(xiàn)出缺陷，但CTB 和STB 之間的線粒體表型存在明顯差異。在GDM 中，CTB 線粒體的氧化磷酸化能力顯著降低，可能與ATP 合成減少相關(guān)；同時STB 線粒體的呼吸能力下降更為顯著[36]。但總的來說，STB 與CTB中線粒體的受損都會影響胎盤的營養(yǎng)吸收，尤其是在與非GDM 的滋養(yǎng)層相比，GDM 患者STB 與CTB 的線粒體呼吸效率和脂質(zhì)代謝能力降低[37]。此外，目前已證實早期糖尿病患者在妊娠后會引起整個胎盤線粒體呼吸鏈酶活性降低，具體表現(xiàn)為1 型糖尿病胎盤中線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的活性降低，2 型糖尿病胎盤中線粒體復(fù)合物Ⅱ和Ⅲ的活性降低。因而推測GDM 子代代謝性疾病的發(fā)展可能與胎盤營養(yǎng)儲存和線粒體氧化功能受損有關(guān)。由于患有GDM 的女性骨骼肌中的線粒體在分娩時降低，推斷胎盤CTB和STB 的線粒體變化可能與母體組織中的線粒體變化有關(guān)[38]。滋養(yǎng)層線粒體的容量分析相較于母體線粒體更容易檢測，因此其可以作為胎兒線粒體功能的指標(biāo)，預(yù)測子代未來的代謝情況。

3 結(jié)語

綜上所述，線粒體功能異常所導(dǎo)致的氧化應(yīng)激水平增高，會造成流產(chǎn)、PE 以及GDM 的發(fā)生。胎盤線粒體自噬、動力學(xué)和生物發(fā)生異常等所引發(fā)的代謝障礙，可能是導(dǎo)致妊娠并發(fā)癥發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，胎盤線粒體功能障礙與妊娠并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制尚不清晰，仍有待進(jìn)一步闡明。研究顯示通過外源性補(bǔ)充維生素D、輔酶Q10、褪黑素等抗氧化劑可以有效改善線粒體功能，抑制氧化應(yīng)激，降低炎癥反應(yīng)，保護(hù)線粒體免受氧化損傷[39-40]。目前采用線粒體移植的方式恢復(fù)異常mtDNA，解決因胎盤線粒體異常而導(dǎo)致的妊娠并發(fā)癥也已成為一種趨勢。近期，Morimoto 等[41]以52 例多次輔助生殖失敗患者為研究對象，通過卵胞質(zhì)內(nèi)單精子注射將自體線粒體與精子一同注射到成熟卵母細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)胚胎率、可移植胚胎率以及胚胎質(zhì)量評分顯著提高，但其可行性及安全性仍需進(jìn)一步研究。目前新發(fā)現(xiàn)的H-鐵蛋白樣蛋白，是一種僅在線粒體中表達(dá)的線粒體鐵蛋白，可以通過調(diào)節(jié)線粒體中不穩(wěn)定的鐵和ROS的產(chǎn)生來保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激[42]。對此，針對線粒體鐵蛋白的研究可能為妊娠并發(fā)癥相關(guān)疾病的治療提供新的靶點(diǎn)。未來研究應(yīng)通過糾正胎盤線粒體功能障礙以期治療妊娠并發(fā)癥，降低母體疾病發(fā)生風(fēng)險，促進(jìn)子代生殖健康。