胎儿炎症信号调控有袋类妊娠期的母体投资

《PLOS Biology》：Fetal inflammatory signals regulate maternal investment during marsupial pregnancy

本研究颠覆了传统认知，揭示了有袋类短妊娠期并非简单的母体免疫排斥所致。作者通过对灰短尾负鼠的精细实验，发现胎儿来源的炎症因子（如IL-1A和IL-6）能主动调节母体投资：IL-1A信号能促进同窝幼崽的存活，但以牺牲个体生长为代价；而母体则通过上调IL-1拮抗剂（IL1R2/IL1RN）进行反制。这为理解哺乳动物胎盘进化、母胎冲突与协作提供了全新视角。

　　

胎盘细胞因子产生与合胞体结发育同步，并靶向母体血管和腺体

有袋类动物的妊娠期极短，以灰短尾负鼠（Monodelphis domestica）为例，其胎盘附着期仅持续两天。长期以来，这种短暂性被归因于母体对胎儿接触的免疫反应，而只有真兽类（有胎盘）哺乳动物进化出了耐受机制。然而，本研究发现，在快速生长阶段，包括白细胞介素-1A（IL-1A）和白细胞介素-6（IL-6）在内的几种炎症细胞因子主要由胎儿细胞产生。研究人员假设，这些胎盘细胞因子作为“乞求信号”来增加母体投资。

为了验证这一假设，研究团队首先确定了信号产生的时空特异性。通过激光显微切割和转录组测序比较妊娠第12.5天和第13.5天的胎盘组织，他们发现细胞因子IL6、IL10、IL17A、CXCL8以及催化前列腺素E₂（PGE₂）合成的PTGES基因表达在合胞体结形成时显著上调。血管内皮生长因子VEGFA的表达量更是激增了300倍以上。单细胞转录组分析进一步揭示，胎源性IL-1A的主要靶细胞是母体的血管内皮细胞、周细胞和子宫内膜基质成纤维细胞，而非免疫细胞。这些非免疫靶细胞，尤其是紧邻胎盘的母体血管和腺体细胞，暗示了细胞因子可能具备调控营养分配的潜在非免疫功能。

内皮细胞基因表达在胎儿接触时改变，同时合胞体结产生一种截短的VEGFA亚型

如果胎儿信号影响母体分配，最直接的途径是通过血管和腺体。与未妊娠状态相比，妊娠第13.5天的母体内皮细胞表现出血管舒张标记物（ANGPT2、NOS3）、增殖标记物（MKI67）、通透性标记物（GJA1）和白细胞粘附分子（ICAM3、SELE）的上调，而紧密连接标记物（OCLN、TJP1）则下调。这些变化表明，在短暂的胎盘附着窗口期，母体内皮并非处于稳态，而是呈现出与动态血管功能一致的转录特征。

同时，胎儿细胞也表达与指导母体血管发育一致的因素。VEGFA在合胞体结细胞中表达最高，并且亚型定量分析显示，42.5%的胎盘VEGFA转录本缺少第5-7外显子，编码一种截短的肽段（VEGFA-204）。这种亚型类似于人类的VEGF₁₁₁，由于缺乏肝素或神经纤毛蛋白结合位点以及蛋白酶切割基序，其扩散能力更强，血管生成活性也更 potent。该亚型在母体组织中不表达，母体仅转录用于正常组织稳态的、扩散性较差的长亚型。结合内皮细胞的转录组变化，这一发现支持了胎儿细胞在妊娠晚期功能特化以调节母体血管发育的模型。

母体细胞表达IL-1拮抗剂IL1RN和IL1R2

研究发现，母体组织部署了反调节机制以限制妊娠晚期的细胞因子信号传导。母体免疫细胞表达竞争性IL-1受体抑制剂IL1RN，而多种母体细胞类型，特别是子宫内膜成纤维细胞，则高表达诱骗受体IL1R2。与未妊娠子宫相比，妊娠第13.5天的子宫整体转录组中IL1RN和IL1R2显著上调。有趣的是，假孕子宫也表现出类似的高水平，表明这种母体IL-1拮抗作用受母体激素调控。体外培养的负鼠子宫内膜基质成纤维细胞的转录组显示，暴露于外源性孕激素后，该细胞类型中的IL1R2表达显著上调，提示母体孕酮协调了IL-1拮抗反应的时间。这些结果表明，母体细胞进化出了对胎儿IL-1A的动态反制调节，且抑制高峰受母体激素限制在妊娠晚期。

综合来看，胎儿细胞因子在免疫和非免疫母体细胞类型（包括可能调控营养分配的血管和腺体细胞）上均有互补受体表达，同时母体动态下调部分信号，这与胎盘细胞因子作为乞求信号的功能预期一致。因此，研究人员通过药理学扰动这些信号来量化其对胎儿生长和存活的影响，以测试其功能。

IL-1抑制导致存活后代数量减少、体型增大

研究人员使用阿那白滞素（一种修饰的重组IL1RN，可拮抗IL-1R1受体）来抵消胎儿IL-1A的作用。在交配后第11.5、12.5和13.5天对怀孕雌性进行皮下注射。结果显示，与生理盐水对照组相比，阿那白滞素处理组胎儿的平均干重显著增加了14%，同时平均同窝存活数量显著减少了约3.7只。一个可能的决定因素是空间限制导致的被动缩放效应，即如果子宫内空间有限，后代的大小和数量可能存在权衡。然而，数据表明每个子宫的群体生物量与同窝数量呈线性增加，排除了被动缩放作为唯一驱动因素。胚胎吸收是解释晚期妊娠信号影响同窝数量的一个合理机制：在未经处理和处理过的子宫中都偶尔观察到正在被吸收的胚胎残余。这些发现表明，IL-1A有助于边缘胎儿的存活，但代价是牺牲个体的生长。

IL-6阻断增加胎儿生物量获取

使用托珠单抗（一种竞争性结合IL-6受体的单克隆抗体）进行的实验显示，处理组胎儿平均干重显著增加了12%，但平均同窝数量没有显著变化。这导致母体总投资有增加的趋势，但不显著。这些结果表明，IL-6信号与IL-1A类似，对胎儿生长有轻微的负面影响，但不同于IL-1A的是，它并不显著影响存活。

PGE₂抑制不影响胎儿分配

虽然合胞体结也表达PTGES，并且子宫中其产物PGE₂的浓度在妊娠晚期增加了约20倍，但使用美洛昔康（前列腺素H₂合酶PTGS2的特异性抑制剂）进行的阻断实验未能降低子宫PGE₂水平或改变胎儿生物量。调整注射时间后虽然能短暂降低PGE₂水平，但仍未对生物量或同窝数量产生影响。因此，前列腺素的消耗不足以改变营养分配。

讨论：信号功能的复杂性与进化背景

研究结果表明，灰短尾负鼠中的炎症信号在塑造母体投资方面扮演了复杂的角色。这些细胞因子的受体主要表达在非免疫的母体靶细胞上。功能实验证明，IL-1和IL-6通路均不具备与胎儿生长正相关的简单乞求信号特性；抑制两者不仅没有减少胎儿生物量，反而增加了它。这些信号似乎超越了直接的营养和免疫调节，影响了胎儿存活。

在壳膜降解后，胎儿通过胎盘获取营养。合胞体结细胞的一个潜在功能是通过旁分泌影响子宫内膜发育。除了大量产生细胞因子，它们还产生强效且高度扩散的截短VEGFA亚型（VEGF₁₁₁），这在小肥足袋鼩的胎盘中也有发现。VEGF₁₁₁在啮齿动物模型中能促进血管网络发育。胎盘细胞因子表达与内皮细胞基因表达变化的时间相关性，为胎盘细胞主动重塑子宫内膜以支持胎儿持续发育的 scenario 提供了证据。

为什么负鼠胎儿会产生限制自身生长的信号？研究发现，IL-1A有助于边缘胎儿存活。兄弟姐妹可能以类似于其他物种后代乞食的方式争夺毛细血管的 access。并非所有胎儿都能成功；在生理盐水和抑制剂处理的妊娠中均观察到正在被吸收的胎儿。事实上，子宫内吸收在灰短尾负鼠中是常见的。母体细胞大量产生IL-1螯合剂和受体抑制剂，表明母体主动抑制自身组织中的IL-1受体激活。这可以解释为母体对胎儿乞求的一种抵抗形式：胎儿受益于拯救边缘兄弟姐妹的信号，而母亲则通过建立一个胎儿信号必须超越的抑制障碍，以及对存活乞求征税（以降低生长为形式）来限制过大的同窝数量。

胎盘IL-6的功能则不太明确，它似乎限制生长而不带来存活益处。一种可能性是胎盘IL-6在妊娠晚期的补偿性益处仅在测量窗口之后实现，例如通过影响分娩时间或泌乳启动。另一种可能是，如果IL-6曾经是一种营养乞求信号，母体可能已在进化上修改或削弱了对IL-6的子宫内膜反应。

后代乞求信号已在诚实信号模型下被广泛建模，该模型预测乞求信号要进化稳定，必须携带相关成本。本研究实验抑制的是受体而非配体产生本身，因此观察到的效应必定是由胎儿细胞因子对母体的生理后果介导的，而非通常假设的产生信号的代谢成本。更重要的是，有袋类动物在胎盘期的投资与哺乳期相比非常少，在灰短尾负鼠中比例约为1:50。因此，存活可能是有袋类母体投资比胎盘营养转移更重要的决定因素。由此逻辑及研究发现，胎儿乞求信号很可能主要针对存活，而对生长的影响是次要的。

更广泛的进化背景与临床意义

研究结果暗示，关于有袋类妊娠的免疫约束假说不再成立。如果炎症是由损伤诱导或同种异体抗原触发的母体反应，人们会预期促炎信号由母体细胞表达。然而，在有袋类中，这些信号源自胎儿细胞，并主要作用于非免疫靶点。这些细胞因子的生理效应也似乎不同：其作用方向与真兽类妊娠中已知的炎症信号效应相反。

本研究存在一些局限性，例如无法同时测量生物量和妊娠长度，血管重塑的解释仍是间接的，以及研究设计无法确定同一子宫内不同胎儿间生物量或细胞因子产生的个体差异。

从更广泛的进化背景看，负鼠的胎儿-母体信号可以置于哺乳动物胎生进化的轨迹中。哺乳动物共同祖先被认为是通过母体营养性卵生繁殖，单孔类仍保留此状态。从这种状态开始，过早的孵化蛋白酶产生导致了短暂的宫内直接接触期。持续的蛋白酶分泌会刺激子宫腔上皮，黏膜炎症会导致胎儿附着部位的血管生成和血管渗漏，以及中性粒细胞和单核细胞的募集。可以假设，最初，前者对胎儿发育有益，而后者有害。这为自然选择提供了原材料，以修剪有害的信号相互作用，同时完善有用的相互作用。有袋类和真兽类谱系从此走上了不同的进化道路。

在临床意义上，研究发现美洛昔康在负鼠体内代谢迅速，其疗效可能被高估。而托珠单抗显示出功能性活性，且由于负鼠IL6RA序列与人类的相似度高于小鼠，负鼠可能是比小鼠更合适的托珠单抗模型生物。