生命科學

我們一出生就失去的器官

胎盤大概是人體最不受關注的器官,然而研究結果卻充滿驚喜。

撰文/厄爾巴赫(Adrian Erlebacher)、費雪(Susan J. Fisher)
翻譯/林雅玲

生命科學

我們一出生就失去的器官

胎盤大概是人體最不受關注的器官,然而研究結果卻充滿驚喜。

撰文/厄爾巴赫(Adrian Erlebacher)、費雪(Susan J. Fisher)
翻譯/林雅玲


公衛學領域幾十年來都認為茲卡病毒只會造成人體輕微不適,然而2015年巴西爆發疫情後,事態變得明朗:茲卡病毒會從孕婦轉移給胎兒,造成嚴重後果。茲卡病毒導致一些未出生的胎兒胎死腹中,或造成胎兒嚴重腦損傷,例如小頭症(microcephaly)。茲卡病毒如何到達胎兒仍是個謎,因為病毒必須穿過胎盤這個連接胎兒與母體的扁平器官,而且科學界已知胎盤能阻擋其他蚊媒傳播的病毒從母體傳染給胎兒,例如登革熱和黃熱病。


過去幾年來,茲卡病毒之謎以及其他因素,吸引研究人員開始關注胎盤,這是受孕後首先發展、也是體積最大的器官。胎盤並非母體器官,它伴隨胚胎而形成,提供胎兒營養與氧氣並處理廢棄物質。然而,儘管胎盤在妊娠期扮演關鍵角色,它無疑是我們最不熟悉的人體器官。


胎盤對茲卡病毒沒有抵抗力並非唯一令人費解的難題。研究人員其實一直想了解母體免疫系統為何不會把胎盤與胎兒視為與母體遺傳層次有差異的外來物,並對其發動攻擊。事實上,母體免疫系統不僅抑制攻擊,還會協助胎盤發育和發揮正常功能。


我們與其他研究團隊所進行的研究,持續為這些難題帶來嶄新見解。藉由這些研究,我們也更加清楚特定妊娠併發症是源於胎盤有所缺陷,或是胎盤與子宮的異常交互作用,過去一直認定這些併發症都是母體所造成。更重要的是,胎盤的微妙變化可能會影響胎兒出生後的健康狀態。


受精卵催生胎盤


胎盤十分奧妙,目前我們較為清楚的是它的兩個面向:器官結構和基本發育進程。孕婦分娩之際,扁平胎盤的重量將近0.5公斤,兩側構造迥異:分娩前附著在母體子宮壁上的部份,外觀像充血的海綿,面向胎兒的那一側,則包含許多穿越臍帶的血管(參見56頁右上圖)。


胎盤發育速度非常快,因為子宮中的胎兒器官發育完全前,胎盤必須先承擔這些任務,包括像肝臟一樣代謝養份、像肺臟一樣交換二氧化碳與氧氣、像腎臟一樣排除廢物。


精卵結合後一週內,胚胎表面會形成稱為滋胚層(trophoblast)的特殊細胞層,這些細胞除了製造激素通知母體胚胎的存在,另一項重要任務就是與母體子宮壁連結︰滋胚層會迅速增長,形成輻射突起延伸進入子宮壁,這些組織中有一層是細胞滋胚層(cytotrophoblast),而胎盤表層則是由融合細胞構成的合體滋胚層(syncytiotrophoblast)所組成。最終,胎盤會形成盤狀構造,透過分枝結構附著到子宮壁。


受精後的第二、三週,這些胎盤分枝會發展出支持細胞與血管。大約在孕婦察覺到自己懷孕時,這些分枝結構已然發育成熟,稱為絨毛膜絨毛(chorionic villi)。


懷孕早期,胎盤會快速發育以發揮全面功能,其中一項重要功能是讓母體的血液往自身流動,這項功能至關重要,由細胞滋胚層透過非凡的長途旅程而完成。一開始,細胞會附著在子宮壁表面,然後移動到更深處。將近20年前,本文作者之一費雪發現,細胞滋胚層的細胞在這個過程中會改變外形,讓自己的樣態變得像一般血管內皮細胞一樣;這種形變讓細胞滋胚層得以侵入母體富含氧氣的動脈(參見54頁〈懷孕進行式〉)。一旦進入母體動脈,這些細胞便沿著血管壁增生,進而取代原來的血管內壁。


細胞滋胚層的運作使子宮內的動脈擴張並改變原先的彈性,不然會受限於原本能攜帶的血液量限制。懷孕滿三個月之際,動脈與絨毛膜絨毛相通,送進大量的母體血液(富含養份與氧氣)提供胎兒生長所需。細胞滋胚層也會侵入子宮靜脈,在這個完整的血流回路當中,血液也能從胎盤流回母體,把二氧化碳和其他廢物帶離胎兒。


來自母體動脈的血液包覆胎盤表面,與胎兒的血管只隔著幾層細胞。這樣的近距離接觸可以讓養份、氣體和廢物的交換達到最大化。研究人員也在近年發現,胎盤會大量釋出胎兒的DNA至母體血液中,因此只要透過母體的血液樣本便能進行產前基因檢測。這些檢測正迅速取代過去侵入性的產前檢查,例如絨毛膜取樣和羊膜穿刺術。


母親的包容從懷孕開始


胎盤的發育大致上由胎兒的基因主導,不過胎盤周圍的微環境也扮演重要角色。過去20年的研究發現,懷孕過程是否順利,也取決於子宮組織中母體細胞與胎盤入侵子宮壁的分枝間的物質交換。胎盤與子宮接觸的區域稱為「母胎界面」,此處充滿免疫系統中各種類型的白血球,這些白血球來自母體血液。胎兒的細胞滋胚層會持續和這些白血球以及其他子宮細胞保持交流,好讓胎盤能適當地發揮功用。


而母體免疫細胞的行為著實令人驚訝。胎盤有一半的基因來自父方,因此對母體而言應該是外來物。這種遺傳上的差異令人不禁好奇:胎盤是怎麼躲避免疫的排斥反應?通常外來物被免疫系統辨認出來後會遭摧毀,就像器官移植常發生的排斥反應。如今,研究人員發現是母體的免疫系統發生改變,幫助母體「容忍」胎盤的存在。子宮內部的改變也發揮作用,舉例來說,本文作者之一厄爾巴赫在2012年發表了一項小鼠的研究,實驗顯示,通常會排斥移植器官的白血球無法聚集在母胎界面附近。


然而,母體不僅能容忍胎盤,還能積極促進胎盤組織入侵式的生長。舉例來說,1980年代研究人員就發現自然殺手細胞(一種白血球)會大量聚集在母胎界面中子宮壁的那一側。一般來說,這些特殊的細胞會殺死腫瘤和被病毒感染的細胞。1990年代,加拿大女王大學的微生物學家克羅伊(B. Anne Croy)的團隊發現,自然殺手細胞其實會支持胎盤的發育,特別是能幫助細胞滋胚層重新導向子宮動脈。研究人員推測,子宮組織裡的自然殺手細胞能夠產生促使母體動脈內皮細胞消失的物質,從而促進胎盤細胞隨後接管這些血管。


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