懷孕過程包括配子産生、卵子受精形成受精卵、胚胎着床、子宮内膜蛻膜化、胎兒和胎盤發育以及最後的生産。胚胎着床是胎兒與母體的首次接觸，着床後的子宮内膜細胞發生形态和功能的改變，即子宮内膜蛻膜化過程，最後形成蛻膜組織。該組織由多種免疫細胞、内皮細胞、基質細胞等組成，為早期胎兒生長的物質交換、能量傳遞提供場所，對成功妊娠極其重要[1-4]。

近幾年，多篇研究利用單細胞及空間多組學聚焦于人體母胎界面的深入探究，包括蛻膜組織和胎盤組織的研究，詳細刻畫了人類妊娠6-20周齡子宮微環境的建立，包括母胎界面的細胞組成，細胞間相互作用和各種生物學過程[5-7]。該階段為胎盤開始發育并逐漸産生功能，并非是母體和胎兒的真正意義上的第一次接觸。由于倫理和技術難題，我們無法獲得人圍着床時期的子宮内膜樣本，因此小鼠作為唯一的哺乳動物模式生物，成為研究胚胎着床初期子宮微環境建立的最佳選擇。然而，迄今為止，小鼠着床位點的子宮内膜組織還未進行全面解析。

2023年9月11日，北京大學杜鵬課題組在Cell雜志在線發表了題為“Spatiotemporal insight into early pregnancy governed by immune-featured stromal cells”的研究論文。在這項研究中，作者結合使用單細胞轉錄組和華大單細胞空間轉錄組技術 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA [8]首次對小鼠妊娠早期（E5.5-E9.5）着床位點的細胞組成進行了詳細定義，并根據不同細胞的空間動态分布，鑒定出妊娠早期着床位點的8個不同功能中心，最終通過比較健康小鼠和複發性流産模型小鼠着床位點功能中心的差異，進而揭示了胚胎着床初期蛻膜微環境建立及穩态維持是成功妊娠至關重要的條件。

在本研究工作中，作者主要有以下發現：

1、小鼠妊娠早期着床位點的單細胞轉錄組圖譜

作者首先對健康小鼠妊娠早期（E5.5-E10.5）着床位點的蛻膜組織和胚外組織進行單細胞轉錄組測序，對母體和胚胎來源的細胞類型 （共53,112個細胞）進行系統定義 （圖1）。同時對蛻膜基質細胞（Decidual stromal cells, DSCs）、免疫細胞、母體來源的血管内皮細胞和滋養層細胞進行亞群定義，描述了細胞亞群比例随蛻膜過程的動态變化。研究人員聯合使用免疫熒光染色和asmFISH技術初步勾勒出蛻膜基質細胞的空間分布。

圖1 小鼠妊娠早期着床位點的單細胞轉錄組圖譜構建

2、小鼠妊娠早期着床位點單細胞空間轉錄組圖譜和功能中心鑒定

作者使用華大基因組開發的Stereo-seq技術，對小鼠妊娠早期E6.5-E9.5着床位點進行空間轉錄組測序。結合單細胞轉錄組和空間轉錄組測序結果，本文首次鑒定出着床位點的主要由蛻膜組織細胞、免疫細胞、血管内皮細胞和滋養層細胞等所組成的8個功能中心 （functional hub, hub I-VIII）。其中，功能中心I至III主要由蛻膜基質細胞構成，是蛻膜化過程的主要發生區域；功能中心IV（免疫招募中心）富含免疫細胞；而功能中心V（血管生成中心）則富集血管内皮細胞和血管生成相關的蛻膜細胞亞群 （圖2）。功能中心的細胞比例和空間位置分布随時間的動态變化代表妊娠過程中關鍵生物學事件的發生。

圖2 小鼠妊娠早期着床位點的單細胞空間轉錄組圖譜構建和功能中心定義

3、胚胎着床初期子宮内膜蛻膜化過程

研究者接下來對着床位點微環境中的6個子宮内膜蛻膜基質細胞亞型，依據其差異基因和富集的生物學功能通路進行命名，主要包括: 未分化的基質細胞（D1）、MET轉變過程的中間态細胞（D2）、成熟的功能性細胞（D3-D6）和成熟後的蛻膜基質細胞（D7）。同時作者基于拟時間分析和體外蛻膜誘導實驗結果，詳細描述了胚胎着床初期子宮内膜細胞蛻膜化的間充質-上皮樣轉換過程，主要包括從未分化狀态到增殖狀态（D3）的轉變，随後産生兩種功能分支，包括在系膜側（M）産生與血管形成相關的蛻膜基質細胞（D6）以及系膜對側産生（AM）與營養供給相關的蛻膜基質細胞亞群（D5），最終走向凋亡（圖3）。

圖3 子宮内膜基質細胞蛻膜化過程和細胞的空間分布

4、雙特征蛻膜基質細胞亞型（iDSC）的分子特征和空間分布

研究者在對細胞進行亞群分析過程中，發現一群特殊的蛻膜基質細胞亞群，整體轉錄組與血管生成相關的DSC亞群相似。基因富集分析發現，該群細胞高表達免疫活動相關基因（如Cxcl2, Ccl6, Gzma/e, Tnfrsf9和Spp1等），通路富集分析顯示具有“白細胞增殖”和“抗原呈遞”的功能。因此，将其命名為iDSC（immune-featured DSC）。随後，進一步基于轉錄組差異分為3個亞群: iDSC0/1/2，結合空間轉錄組數據Stereo-seq, 免疫熒光染色和ISS（in situ sequence）結果顯示該三個亞群随着妊娠過程呈現不同的空間定位，并最終在E8.5之後分布于免疫招募和血管生成中心。其中iDSC0高表達與血管發育相關的基因（如: Angpt2, Runx1, Jcad 和 Adam12）；iDSC1亞群高表達炎症反應相關基因（如: Clec4a2, Cxcl2, Ccl6 和Aif1）；iDSC2高表達細胞溶解和凋亡相關的基因（如: Prf1, Gzma/e, Tnfrsf9 和Spp1）。空間定位上，iDSC0和iDSC2主要位于血管生成中心，iDSC1位于免疫招募中心（圖4）。綜合iDSC亞群分子特征和空間定位，由此推測，iDSC三個亞群分别在免疫反應和血管生成等生物學活動中扮演重要角色。

圖4 雙特征蛻膜基質細胞亞型（iDSC）的分子特征和空間分布

5、iDSC蛻膜基質細胞亞型幫助蛻膜微環境的建立和穩态調節

作者進一步關注妊娠早期微環境，結合各細胞類群空間定位以及着床位點細胞間的信号通路分析，數據結果顯示，iDSC2亞群高表達Tnfrsf9基因，從而增強顆粒酶和穿孔素等基因的表達，誘導蛻膜基質細胞的凋亡。iDSC0亞群和血管形成相關的蛻膜基質細胞亞群随妊娠進程與各種血管内皮細胞呈現高度一緻的空間定位，并且高表達血管生成信号如：VEGF、ANGPT(L)、CALCR和CHEMERIN等的配體基因，使得靜脈/動脈血管内皮細胞在系膜側區域(mesometrial region)富集，并最終形成血管生成中心。另外，iDSC1高表達CXCL和CCL趨化因子，招募免疫細胞在E9.5時聚集形成一個位于兩層未分化的基質細胞（D1_eSFs, endometrial stromal fibroblasts）的環狀結構，即免疫招募中心。體外細胞毒性實驗室和細胞遷移實驗也均證明了iDSCs的不同功能。最終，iDSCs和蛻膜基質細胞亞群共同作用完成了着床位點各功能中心的特化和物理分隔，從而減少生物學活動潛在的相互幹擾（圖5）。

圖5 胚胎着床初期功能區域特化和穩态建立過程

6、異常的iDSC空間分布導緻着床位點功能中心的紊亂

最後，作者通過比較健康小鼠和複發性流産小鼠模型的着床位點細胞轉錄組和空間位置分布差異發現，iDSC三個亞群相較于其他蛻膜基質細胞亞群具有更強的功能失調表型，包括免疫招募通路的趨化因子表達上調，以及血管成熟信号下調。同時iDSC1亞群異常定位于血管生成中心，導緻免疫細胞異常富集在血管生成中心，緻使血管生成過程異常 （圖6）。由此推測，空間定位和分子異常的iDSC緻使着床位點的功能中心特化失敗，并最終導緻妊娠失敗。

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圖6 異常的iDSC亞型對着床早期微環境功能中心特化的影響

綜上，此項研究結合單細胞轉錄組和單細胞空間轉錄組首次刻畫出小鼠妊娠早期着床位點的時空圖譜，解析了胚胎着床後子宮微環境的建立和穩态調節過程，包括功能中心的特化，以及各功能中心所發生的複雜生物學事件。同時提示，細胞異常的空間定位與疾病發生發展之間的關系，為單細胞空間組學對疾病或腫瘤的研究提供新的方向和線索。

模式圖表示iDSC蛻膜基質細胞亞群異常導緻妊娠早期子宮微環境穩态失調

beat365官方网站/北大-清華生命科學聯合中心的杜鵬研究員為該論文的通訊作者。beat365官方网站畢業博士生楊敏和beat365博士後翁建莉為本文的并列第一作者。beat365官方网站陶偉教授，博士研究生孟繁舉、張飛翔，博士後申輝，勃林格殷格翰Kerstin Kitt和劉騰飛博士對本文有重要貢獻。

原文鍊接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00909-1

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參考文獻：

1.         Yuan, J., et al., Primary decidual zone formation requires Scribble for pregnancy success in mice. Nat Commun, 2019. 10(1): p. 5425.

2.        Ander, S.E., M.S. Diamond, and C.B. Coyne, Immune responses at the maternal-fetal interface. Sci Immunol, 2019. 4(31).

3.         Favaro, R., P.A. Abrahamsohn, and M. Telma Zorn, The guide to investigation of mouse pregnancy. 11-Decidualization and endometrial extracellular matrix remodeling. . 2014: Academic Press. 125-142.

4.         Ramathal, C.Y., et al., Endometrial decidualization: of mice and men. Semin Reprod Med, 2010. 28(1): p. 17-26.

5.         Vento-Tormo, R., et al., Single-cell reconstruction of the early maternal-fetal interface in humans. Nature, 2018. 563(7731): p. 347-353.

6.         Suryawanshi, H., et al., A single-cell survey of the human first-trimester placenta and decidua. Sci Adv, 2018. 4(10): p. eaau4788.

7.         Greenbaum, S., et al., A spatially resolved timeline of the human maternal-fetal interface. Nature, 2023. 619(7970): p. 595-605.

8.         Chen, A., et al., Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays. Cell, 2022. 185(10): p. 1777-1792 e21.