胎盘线粒体功能在妊娠并发症发生机制中作用的研究

计恩婷，许雅绚，张春仁，胡敏，马红霞

胎盘是妊娠的重要器官，其通过提供营养和氧气、清除代谢废物、合成激素以及保护胎儿免受炎症影响来保证胎儿的正常生长发育[1]。胎盘发育和功能异常是大多数产科疾病的病理基础，流行病学数据表明，全球每年有超过七百万孕产妇患有流产、子痫前期（preeclampsia，PE）、妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）等妊娠并发症，大部分与胎盘发育和功能异常相关，严重威胁孕产妇生命质量与胎儿远期健康[2]。目前研究表明，由线粒体动力学改变、生物发生减少、线粒体DNA（mitochondria DNA，mtDNA）突变、呼吸链损伤等造成的胎盘线粒体功能障碍，会使胎盘内氧化应激水平增高、内分泌活动紊乱，使胎盘处于局部缺氧状态，导致胎膜早破引起早产，也是诱发流产、PE 和GDM 的重要原因[3]。因此，了解胎盘线粒体的生理病理对认识流产、PE以及GDM 的发病机制至关重要。

1 胎盘线粒体功能

胎盘的正常生长发育及功能的正常发挥，均有赖于线粒体提供能量。线粒体是腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的主要来源，线粒体利用脂肪酸β 氧化和三羧酸循环产生能量。具体来说，线粒体通过氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）产生ATP，同时生成副产物活性氧（reactive oxygen species，ROS）。ROS 是含氧的化学反应分子，正常生理情况下，ROS 对哺乳动物细胞的生物学功能如增殖、代谢、基因表达和免疫应答等具有重要影响；但ROS 水平过高会引起生物体和组织中氧化应激水平增高，从而导致相关损伤，同时对线粒体自身结构和功能造成不利影响，如mtDNA 复制异常、线粒体膜电位丧失、电子传递链功能改变等。在妊娠期间，由于胎盘功能会随胎儿生长和胎盘发育的变化而改变，因此，线粒体的含量、结构和功能在支持胎盘高度动态变化的能量需求方面具有重要作用[4]。

在妊娠前期，胎盘处于低氧环境，胎盘绒毛膜结构中的线粒体呈椭圆形或圆形，含量相对较低。当母胎循环建立后，线粒体动态重塑，嵴不规则，线粒体含量增加，ATP 生成增加。但在妊娠后期，为最大限度地向胎儿输送营养与氧气，线粒体呼吸速率与含量的比值降低[5]。胎盘线粒体除了具有时间可塑性外，其含量、结构和功能在不同的细胞谱系中也存在异质性。绒毛滋养层细胞谱系作为胎盘功能的核心，主要包括合体滋养层（syncytiotrophoblast，STB）和细胞滋养层（cytotrophoblast，CTB），STB 是胎盘进行新陈代谢的主要场所，而CTB 则具有更高的氧化磷酸化和糖酵解能力。在形态上，CTB 的线粒体较大，呈椭圆形，具有层状嵴；而STB 的线粒体较小，呈圆形，为管状嵴，基质密度较低。在功能上，STB 线粒体主导包括孕酮在内的类固醇激素的生成以维持正常妊娠，而CTB 线粒体则为CTB 向STB 的融合转变提供能量[6]。此外，绒毛外滋养细胞为入侵子宫蜕膜和重构螺旋动脉，其线粒体蛋白表达增加，呼吸速率及ATP 产生也更高[7]。因此，线粒体形态、含量及功能在胎盘生长发育和维持正常妊娠方面起重要作用，其含量、结构和（或）功能失调会对胎盘及妊娠健康产生负面影响。

2 胎盘线粒体功能异常与妊娠并发症的发生机制

2.1 流产流产是指妊娠不足28 周，胎儿质量＜1 000 g 而妊娠终止。虽然流产是与胎盘慢性炎症相关的常见的妊娠并发症之一，但目前其具体发病机制尚不清晰，对流产患者的胎盘绒毛进行全基因组表达谱的富集分析后发现，胎盘线粒体功能障碍是诱发流产的重要原因[8]。在流产患者的胎盘中，与线粒体相关的氧化还原生物调节通路下调会引起胎盘线粒体氧化还原平衡失调、谷胱甘肽代谢及氧化磷酸化等过程异常，导致ROS 产生增加、氧化应激水平加重，进而引起线粒体呼吸链受损，形成恶性循环，最终导致胎盘损伤，发生流产。此外，流产患者的胎盘线粒体中细胞色素P450 酶活性异常，降低了胆固醇转化为孕烯醇酮的效率，同时增加了雄烯二酮和睾酮的水平，诱发流产[9]。相关啮齿类动物的研究也观察到类似结果。多囊卵巢综合征怀孕大鼠的胎盘中凋亡诱导因子与线粒体相关的mRNA 表达增加，线粒体形态异常，ROS 水平增加，诱导胚胎丢失[10]。

在对流产胎盘中的线粒体功能进一步研究后发现，线粒体动力学异常或激活凋亡级联反应是引起早期流产的重要因素。线粒体动力学是线粒体不断融合-裂变的过程。线粒体融合可以增加氧化磷酸化和生物能量效率，而线粒体裂变则有助于线粒体自噬以去除受损的线粒体。线粒体融合包括由融合蛋白1（mitofusin 1，Mfn1）和Mfn2 介导的外膜融合以及由视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）控制的内膜融合。线粒体裂变则是由动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）驱动的。研究表明早期流产会抑制胎盘线粒体融合，如在早期流产胎盘中Mfn2 表达降低，Drp1 表达增强[11-12]。另有研究发现，在因缺乏Mfn1 或Mfn2 导致小鼠流产的胚胎成纤维细胞中出现不同类型的碎片状线粒体，被认为是线粒体融合严重减少所致[13]。

此外，流产患者胎盘中的氧化损伤等细胞内应激反应会激活线粒体介导的细胞凋亡。细胞凋亡主要涉及细胞坏死和内在细胞凋亡。与通过细胞膜中的死亡受体启动的外在细胞凋亡相反，内在细胞凋亡由线粒体外膜中的B 细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，BCL-2）蛋白家族控制。当出现mtDNA损伤等引起的凋亡刺激时，位于细胞质中的BCL-2相关X 蛋白（BCL-2-associated X protein，Bax）易位至线粒体外膜，单独或与BCL2 拮抗/凋亡因子1（BCL2 antagonist/killer 1，BAK1）一同导致线粒体外膜透化，随后细胞色素C 和其他凋亡蛋白释放到细胞质中，激活胱天蛋白酶（caspase）相关凋亡蛋白，引起细胞质和细胞核中的结构和调节蛋白被裂解，最终导致细胞死亡。多项研究显示，早期流产和复发性流产患者的胎盘中均存在BCL-2 及Bax 蛋白表达的增高[14-15]。此外，由于细胞凋亡增加，流产胎盘的滋养细胞中可观察到线粒体肿胀[16]。

2.2 PEPE 是一种临床妊娠综合征，影响约5%的初产妇。PE 作为妊娠期间出现的新发高血压疾病，会引起全身小血管痉挛和血管内皮损伤，可导致胎盘早剥、脑血管和多器官功能障碍以及弥散性血管内凝血等并发症的发生，同时还可诱发早产。目前研究认为PE 是由胎盘ROS 增加和（或）抗氧化活性降低所引起的，并且与母体循环和胎盘中脂质过氧化增高以及抗氧化活性降低密不可分。

线粒体作为细胞内消耗氧的主要细胞器，是PE中ROS 和氧化应激水平升高的重要来源。因此，胎盘线粒体功能障碍可能是引起PE 发病的重要机制之一。Long 等[17]认为在PE 胎盘线粒体中控制线粒体含量或功能的途径异常，会引起ROS 水平升高，诱导螺旋动脉重塑受损、子宫胎盘血流量减少和母体血压升高，从而促进PE 的发生发展。其中线粒体自噬和线粒体生物发生这两种途径的异常与PE 的发展关系密切。线粒体自噬是为了维持健康的线粒体池，自噬体隔离受损或多余的线粒体，随后转移到溶酶体进行降解。其中，磷酸酶和天丝蛋白同源物诱导的蛋白激酶1（PTEN-induced putative kinase protein 1，PINK1）和E3 泛素连接酶（Parkin）构成了线粒体自噬的主要途径。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）也参与线粒体自噬过程。研究发现，PE 胎盘线粒体PINK1、Parkin 和BNIP3 蛋白水平显著升高，提示线粒体自噬增加[18-19]。但也有研究发现，PE 与胎盘BNIP3 表达减少有关，提示线粒体自噬减弱[20]。

线粒体生物发生是通过原有线粒体的生长和分裂来增加线粒体数量的过程。其主要涉及mtDNA 的复制以及核DNA 和mtDNA 编码的蛋白质的表达，此过程受过氧化物酶体增殖物激活受体γ 辅激活因子1α（peroxisome proliferator-activatedreceptor-gamma coactivator-1α，PGC-1α）调节。Ricci 等[21]观察到，PE患者的胎盘中线粒体基因组发生突变。同样，Holland 等[22]也检测到迟发性PE 胎盘中的mtDNA含量增加，证明了线粒体生物发生水平升高。但有研究发现，参与线粒体生物发生调控的关键分子的mRNA 和蛋白质水平在PE 胎盘中较低，表现为PGC-1α水平降低[23]。相关动物研究也得出相似结果，怀孕大鼠的血浆睾酮水平升高会导致胎盘线粒体的结构损伤和mtDNA 拷贝数减少，同时降低胎盘中PGC-1α和核因子E2 相关因子1（nuclear factor E2 associated factor 1，Nrf1）的mRNA 和蛋白表达[24]。

另一方面，PE 所引起的长期缺氧或连续的缺血/复氧循环会导致线粒体备用呼吸能力进一步耗尽，ATP 生成不足，ROS 产生过多，引起胎盘线粒体损伤，最终导致线粒体功能障碍[25]。mtDNA 是线粒体功能障碍的生物标志物，Williamson 等[26]发现，mtDNA拷贝数随着PE 妇女的妊娠进展而增加。而滋养层mtDNA 拷贝数增加会激活NOD 样受体蛋白3（NODlike receptor protein 3，NLRP3）炎症小体并诱导内皮细胞焦亡[27]。此外，mtDNA 异常增多还会激活核酸敏感型Toll 样受体9（Toll-like receptor 9，TLR9）活性，导致PE 患者妊娠期的先天免疫应答升高，炎症反应增加[28]。因此，妊娠早期线粒体抗氧化功能的损害可能会随着妊娠进展而加重，并通过增强炎症反应促进PE 的发展。

2.3 GDMGDM 是一种异质性疾病，与D-葡萄糖耐受不良和胎儿胎盘血管功能障碍有关。研究发现大多数患有GDM 的女性在妊娠前就存在慢性胰岛素抵抗引起的β 细胞功能障碍，而妊娠后期的生理性胰岛素抵抗加重了抵抗程度，导致葡萄糖水平升高[29]。GDM 的全球发病率一直处于上升状态，且在我国的发病率高达14%[30]。GDM 不仅会增加产妇流产、早产、剖宫产等风险，还会影响子代健康，导致新生儿低血糖、巨大儿、病理性黄疸等的发生，同时使子代儿童期和成年期肥胖率及心脏代谢风险增加。研究表明高血糖环境与氧化应激密切相关。与正常妊娠妇女相比，GDM 患者存在ROS 过度产生和自由基清除机制受损的情况，抗氧化系统的异常使氧化应激水平增高[31]。线粒体作为ROS 主要来源，胎盘线粒体功能异常已成为GDM 的特征之一。

目前主要观点认为GDM 的发生发展与胎盘内皮和滋养层的线粒体功能障碍相关。在GDM 的胎盘内皮细胞中，钠氢交换体1（Na+/H+exchanger 1，NHE1）活性增加，H+外流增加，引起细胞外酸化和细胞内H+浓度降低，内皮细胞中的pH 值呈碱性，导致线粒体膜间隙中的H+浓度以及电子呼吸链中的F0F1-ATP 合成酶的生物利用率降低。由于线粒体会通过F0F1-ATP 合成酶的氧化磷酸化产生ATP，因此NHE1 活性增加会导致线粒体ATP 生成减少。因此，GDM 相关的胎盘内皮细胞功能障碍可能涉及线粒体ATP 生成减少[32-33]。在将GDM 患者的脐静脉内皮细胞进行能量代谢分析后发现，ATP 处于低水平状态，提示线粒体功能障碍，激发了内皮细胞凋亡[34]。同时从GDM 患者脐静脉中分离出的内皮细胞也表现出增殖减少和恢复效率降低，该过程高度依赖ATP 的细胞内水平[35]。

胎盘滋养层中存在不同细胞谱系的线粒体亚群，在一定程度上使GDM 的病理机制复杂化。具体来说，GDM 女性胎盘组织STB 和CTB 都表现出缺陷，但CTB 和STB 之间的线粒体表型存在明显差异。在GDM 中，CTB 线粒体的氧化磷酸化能力显著降低，可能与ATP 合成减少相关；同时STB 线粒体的呼吸能力下降更为显著[36]。但总的来说，STB 与CTB中线粒体的受损都会影响胎盘的营养吸收，尤其是在与非GDM 的滋养层相比，GDM 患者STB 与CTB 的线粒体呼吸效率和脂质代谢能力降低[37]。此外，目前已证实早期糖尿病患者在妊娠后会引起整个胎盘线粒体呼吸链酶活性降低，具体表现为1 型糖尿病胎盘中线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的活性降低，2 型糖尿病胎盘中线粒体复合物Ⅱ和Ⅲ的活性降低。因而推测GDM 子代代谢性疾病的发展可能与胎盘营养储存和线粒体氧化功能受损有关。由于患有GDM 的女性骨骼肌中的线粒体在分娩时降低，推断胎盘CTB和STB 的线粒体变化可能与母体组织中的线粒体变化有关[38]。滋养层线粒体的容量分析相较于母体线粒体更容易检测，因此其可以作为胎儿线粒体功能的指标，预测子代未来的代谢情况。

3 结语

综上所述，线粒体功能异常所导致的氧化应激水平增高，会造成流产、PE 以及GDM 的发生。胎盘线粒体自噬、动力学和生物发生异常等所引发的代谢障碍，可能是导致妊娠并发症发生的关键环节。然而，胎盘线粒体功能障碍与妊娠并发症发生发展的具体机制尚不清晰，仍有待进一步阐明。研究显示通过外源性补充维生素D、辅酶Q10、褪黑素等抗氧化剂可以有效改善线粒体功能，抑制氧化应激，降低炎症反应，保护线粒体免受氧化损伤[39-40]。目前采用线粒体移植的方式恢复异常mtDNA，解决因胎盘线粒体异常而导致的妊娠并发症也已成为一种趋势。近期，Morimoto 等[41]以52 例多次辅助生殖失败患者为研究对象，通过卵胞质内单精子注射将自体线粒体与精子一同注射到成熟卵母细胞中，发现优质胚胎率、可移植胚胎率以及胚胎质量评分显著提高，但其可行性及安全性仍需进一步研究。目前新发现的H-铁蛋白样蛋白，是一种仅在线粒体中表达的线粒体铁蛋白，可以通过调节线粒体中不稳定的铁和ROS的产生来保护细胞免受氧化应激[42]。对此，针对线粒体铁蛋白的研究可能为妊娠并发症相关疾病的治疗提供新的靶点。未来研究应通过纠正胎盘线粒体功能障碍以期治疗妊娠并发症，降低母体疾病发生风险，促进子代生殖健康。