一、核心背景

人類胚胎發育依賴母體妊娠環境，母胎界面的復雜細胞與分子互作是妊娠成功的關鍵。該領域研究對理解人類發育機制、揭示妊娠并發癥（如流產、胎兒生長受限、子癇前期）病因、優化母嬰健康策略至關重要。

母胎界面研究受限于三方面 —— 過程不可直接觀察（體內不可達性）、樣本獲取涉及倫理爭議、物種差異顯著（人類與小鼠及靈長類間存在關鍵區別），且缺乏成熟體外模型，現有模型整合難度大。

作者系統梳理子宮內膜、胎盤、胚胎的現有體外模型，分析模型整合的關鍵挑戰（形態功能復雜性、時空協調性、體內基準驗證），提出 “從構建模塊到構建互作" 的跨學科研究視角，為推進母胎界面機制研究提供方向。

二、人類母胎界面的體內生理機制

（一）母胎界面的形成過程

母胎界面的形成始于胚胎著床，貫穿胎盤發育，需經歷子宮內膜準備、胚胎附著與侵襲、胎盤結構成熟三個核心階段，具體過程與關鍵事件如下表：

發育階段

時間節點

核心事件

關鍵分子 / 細胞參與

子宮內膜準備（蛻膜化）月經周期分泌中期

1. 基質細胞發生間質 - 上皮轉化（上調 β- 連環蛋白、E - 鈣粘蛋白、ZO-1）

2. 分泌細胞外基質（如纖連蛋白）

3. 招募免疫細胞（主要是子宮自然殺傷細胞 uNK）

4. 子宮血管重塑

卵巢激素（雌激素 E2、孕酮 P4）、環磷酸腺苷（cAMP）、松弛素、前列腺素 E2（PGE2）

胚胎著床與初級合胞體形成受精后 6-7 天（d.p.f.）

1. 囊胚（內細胞團 ICM + 滋養外胚層 TE）通過極性滋養外胚層（pTE）附著于子宮內膜腔上皮

2. pTE 融合形成多核初級合胞體（PrS），侵入蛻膜化子宮內膜

3. 初級合胞體擴張，形成滋養層腔隙

整合素、層粘連蛋白、L - 選擇素（介導附著）；HB-EGF（穩定胚 - 上皮互作）

胎盤結構成熟13-20 d.p.f. 至孕早期結束

1. 細胞滋養層（CTB）形成細胞柱，發育為初級絨毛和細胞滋養層殼（穩定胎盤附著，暫時堵塞螺旋動脈）

2. 胚外間充質進入絨毛形成次級絨毛

3. 胎兒血管侵入形成三級絨毛，分支為密集絨毛樹

4. 細胞滋養層殼分化為絨毛外滋養層（EVT），侵入蛻膜和子宮肌層

NOTCH 信號（調控 CTB 增殖分化）、VEGF（血管生成）、金屬蛋白酶（ECM 降解）

血供模式轉換孕 10-12 周

1. EVT 重塑螺旋動脈：降解血管平滑肌，將高阻力血管轉化為低阻力血管

2. 滋養層栓溶解，母體血液進入絨毛間隙（IVS），從 “組織營養"（子宮分泌物）轉向 “血液營養"（母體血液）

一氧化氮（血管舒張）、胎盤生長因子（PlGF）

（二）母胎界面的關鍵互作機制

母胎界面的功能維持依賴多維度信號交流，涵蓋分子信號、生物力學、免疫調控、營養交換四大層面：

1. 旁分泌與近分泌信號（分子交流）

著床前對話：子宮內膜分泌白血病抑制因子（LIF）、前列腺素，通過子宮腔液作用于囊胚，調控 TE 附著與分化；囊胚分泌人絨毛膜促性腺激素（HCG），增強子宮內膜容受性。

著床后信號：膜結合型 HB-EGF（子宮內膜腔上皮分泌）與 EVT 表面 ErbB4 結合，穩定胚 - 母互作；TGF-β、VEGF、PDGF 調控 EVT 侵襲與血管重塑；NOTCH 信號（NOTCH1-4 受體及 Jagged1/2、Delta-like1/4 配體）維持 EVT 前體細胞存活，引導其向侵襲表型分化。

2. 生物力學信號（物理微環境調控）

• 細胞外基質（ECM）作用

子宮 ECM 含層粘連蛋白、I/III/V 型膠原、纖連蛋白，其組成隨月經周期和妊娠動態變化；滋養層通過整合素（如 EVT 表達 α5β1，絨毛 CTB 表達 α4β6）感知 ECM 剛度，調控侵襲行為。

• 機械力響應

流體剪切力：孕早期合胞體滋養層（STB）高表達機械敏感離子通道（Piezo1、TRPV6），剪切力促進 STB 微絨毛形成和 PlGF 分泌；

組織剛度：著床部位底蛻膜剛度（~1250 Pa）顯著高于非著床部位包蛻膜（150-250 Pa），剛度差異引導胚胎附著和 EVT 侵襲；

壓縮力：蛻膜基質細胞收縮產生壓縮力，影響胚胎定位和形態發生，RAC1/RHOA 信號調控蛻膜細胞運動，間接影響 EVT 侵襲。

3. 免疫調控（免疫耐受維持）

母胎界面免疫細胞以 “耐受型" 為主，避免母體對胎兒（半同種異體）產生免疫攻擊，主要細胞類型及功能如下：

免疫細胞類型

占 CD45 + 細胞比例

核心功能

關鍵分子機制

子宮自然殺傷細胞（uNK）

70%

1. 調控 EVT 侵襲（分泌 CSF2、XCL1 促進 EVT 遷移）

2. 參與螺旋動脈重塑

3. 分泌抗炎細胞因子

KIR-HLA-C 互作（uNK 的 KIR 受體識別 EVT 表面 HLA-C，特定組合降低子癇前期風險）；HLA-G-LILRB1 結合（抑制 uNK 活化）

蛻膜巨噬細胞

~20%

1. 清除凋亡細胞

2. 分泌 IL-10、TGF-β（抗炎）

3. 輔助動脈轉化

根據定位（底蛻膜 / 包蛻膜）呈現不同轉錄組和分泌組特征

T 細胞

10%-15%

1. 以 CD4+、CD8 + 為主，Treg 細胞稀少

2. 無細胞毒性（因 EVT 缺乏 HLA-I A/B 和 HLA-II，且蛻膜含 TGF-β、IL-10 抑制 T 細胞活化）

PD1-PD-L1 互作（EVT 高表達 PD-L1，抑制 T 細胞功能）

B 細胞

少量

主要在感染時發揮作用，正常妊娠中功能有限

無直接調控胎盤發育的證據

4. 營養交換（組織營養與血液營養）

• 孕早期（組織營養）

子宮內膜腺體分泌 “子宮乳"（含 EGF、VEGF、LIF、脂質、糖原），直接進入絨毛間隙；滋養層通過 GLUT 轉運體吸收葡萄糖，通過溶酶體降解糖原和糖蛋白（如 PAEP、SPP1）獲取營養。

• 孕中晚期（血液營養）

STB 形成連續屏障，通過被動擴散（氣體）、主動運輸（葡萄糖、氨基酸）、受體介導的內吞（脂蛋白）實現母胎物質交換；STB 變薄（減少運輸距離），絨毛分支增加（擴大交換面積）。

三、人類母胎界面的體外模型系統

現有模型涵蓋胎盤、子宮內膜、胚胎三大類，各模型的形態功能特征、優勢與局限存在顯著差異，需根據研究目標選擇。

（一）胎盤體外模型

模型類型

來源

核心特征（形態 / 功能）

優勢

局限

原代滋養層細胞胎盤組織（孕早期 / 足月）

1. 絨毛 CTB 形成上皮單層，自發融合為 STB，分泌 HCG、hPL

2. EVT 在纖連蛋白上培養可維持 HLA-G 表達

保留體內細胞狀態和功能，滿足所有滋養層分子標準

1. 體外存活時間短（僅短期培養）

2. 無法長期擴增，實驗操作受限

3. 冷凍保存困難

滋養層細胞系永生化細胞（如 Swan-71、HTR8/SVneo）；絨毛膜癌細胞（BeWo、JEG-3、JAR）

1. 永生化細胞：部分保留 EVT 或 CTB 特征（如 Swan-71 模擬 EVT 侵襲）

2. 癌細胞系：BeWo 可誘導融合為 STB，JEG-3 表達 HLA-G

1. 自我更新能力強，可長期培養

2. 操作簡便，易獲取

1. 染色體異常，轉錄組 / 甲基化譜與體內差異大

2. 細胞身份模糊（如 JAR 缺乏 HLA-I，無法模擬正常 CTB）

3. 無法重現絨毛結構

滋養層干細胞（TSCs）囊胚、孕早期胎盤、naive 多能干細胞（PSCs）誘導

1. 長期穩定培養，可分化為 EVT 和 STB

2. 呈現 CTB 樣轉錄譜，表達滋養層核心標志物（GATA3、TFAP2C）

1. 遺傳穩定，可大量擴增

2. 可通過 3D 培養形成類器官，或通過 Transwell 形成 CTB/STB 雙層（模擬胎盤屏障）

1. 非 HLA-I 陰性（與體內 CTB 不同）

2. 表觀遺傳狀態異常（甲基化譜與體內滋養層存在差異）

3. 不同來源（囊胚 / 胎盤 / PSCs）的 TSCs 分子特征不一致

滋養層類器官（TOs）孕早期 / 足月胎盤（3D Matrigel 培養）

1. 自組裝為絨毛樣結構，外層 STB、內層 CTB

2. 分泌 HCG、GDF15、妊娠特異性糖蛋白

3. 可高效分化為 HLA-G+ EVT，HLA 表達譜與體內一致

1. 滿足孕早期滋養層所有分子標準

2. 可長期培養、冷凍保存，支持患者來源模型構建

3. 適合與子宮內膜模型共培養

1. 僅含滋養層譜系，缺乏胚外間充質和胎兒血管

2. 需生物工程優化以重現絨毛樹復雜結構

胎盤組織外植體孕早期 / 足月胎盤絨毛

1. 維持絨毛完整結構（CTB、STB、間質核心、胎兒血管）

2. 短期培養可研究 EVT 分化和激素分泌

1. 保留組織水平復雜性

2. 可直接觀察絨毛對刺激的響應

1. 存活時間短（常規培養 2 天 STB 脫落，懸滴培養可延長至 1 周）

2. 長期培養易出現細胞凋亡和炎癥反應

（二）子宮內膜體外模型

模型類型

來源

核心特征（形態 / 功能）

優勢

局限

原代子宮內膜細胞子宮內膜活檢（上皮 / 基質細胞）

1. 基質細胞在 cAMP、E2、P4 誘導下可蛻膜化（表達 PRL、IGFBP1）

2. 上皮細胞可形成單層，表達腔上皮 / 腺上皮標志物

1. 保留體內細胞功能，可研究蛻膜化和著床

2. 患者來源模型可模擬疾病狀態

1. 體外存活時間短（僅短期培養）

2. 易污染平滑肌 / 內皮細胞，需驗證純度

3. 無法長期擴增

子宮內膜癌細胞系子宮內膜腺癌（如 ECC1、Ishikawa、RL95-2）

1. Ishikawa 表達孕酮受體（PGR），可模擬腔上皮對激素的響應

2. RL95-2、HEC-1 缺乏 PGR，無法蛻膜化

1. 自我更新能力強，可長期培養

2. 操作簡便，適合高通量篩選

1. 染色體異常，分子表型與正常子宮內膜差異大

2. 細胞身份混亂（如 ECC1 被 Ishikawa 污染）

3. 多數細胞系無法模擬蛻膜化

子宮內膜類器官（EOs）子宮內膜活檢、經血（3D 培養）

1. 長期穩定培養，遺傳穩定

2. 激素響應性：E2/P4 誘導下分化為纖毛細胞和分泌細胞，表達容受性標志物（LIF、PAEP、SPP1）

3. 分泌 “子宮乳" 成分，模擬腺上皮功能

1. 重現子宮內膜上皮周期性變化

2. 經血來源模型為非侵入性獲取

3. 可與滋養層模型共培養研究著床

1. 僅含上皮譜系，缺乏基質、免疫和血管細胞

2. 無法自發形成腔上皮 - 腺上皮的空間分離（體內為分層結構，類器官為 “鹽椒樣" 混合）

（三）胚胎模型（用于早期母胎互作研究）

模型類型

來源

核心特征

應用場景

局限

干細胞衍生胚胎模型（SCBEMs）naive PSCs（分化為胚胎和胚外譜系）

1. 可模擬著床前 / 著床后早期發育（如原腸運動、軸形成）

2. 部分模型含 STB，但 CTB 維持能力有限

研究胚胎發育機制，篩選影響早期發育的因子

1. 缺乏穩定滋養層譜系，難以模擬完整母胎互作

2. 部分模型（如類原腸胚）不含滋養層，需與胎盤模型整合

人類囊胚樣結構（Blastoids）naive PSCs 或 TSCs 組裝

1. 重現囊胚結構（ICM 樣、TE 樣、囊腔）

2. TE 樣細胞可分化為初級合胞體，附著并侵入子宮內膜上皮 / 類器官

模擬著床過程（胚 - 母附著、侵襲）

1. 與體內囊胚存在分子差異（如部分著床相關基因表達異常）

2. 無法發育至晚期，僅適用于早期互作研究

胎兒 - 母體組裝體（Fetomaternal Assembloids）囊胚 / 囊胚樣結構 + 子宮內膜組裝體（上皮 + 基質 + 內皮）

1. 囊胚自發附著于子宮內膜組裝體表面，啟動侵襲

2. 可觀察合胞體與子宮基質細胞融合

模擬著床期多細胞互作（胚 - 上皮、胚 - 基質）

1. 形態異質性高，難以標準化

2. 缺乏免疫細胞，無法模擬免疫調控

四、模型整合的關鍵挑戰

將胎盤、子宮內膜、胚胎模型整合為功能性母胎界面系統，需克服七大核心挑戰：

1. 細胞類型組成（Challenge 1）

• 問題

現有模型多為單一譜系（如 TOs 僅含滋養層，EOs 僅含上皮），缺乏母胎界面必需的細胞類型（如 uNK、蛻膜基質細胞、胎兒血管內皮）。

• 實例

常用主動脈內皮細胞無法模擬子宮螺旋動脈內皮的特異性功能；永生化免疫細胞系無法重現 uNK 的抗炎和調控 EVT 的功能。

• 需求

優先使用原代組織衍生模型，或通過共培養補充缺失細胞類型，需驗證細胞身份與體內一致性。

2. 形態功能組織（Challenge 2）

• 問題

體外模型難以重現體內組織的空間結構和功能極性。

• 實例

EOs 在 Matrigel 中培養呈現 “內翻極性"（分泌端朝向類器官內部），無法向體外釋放 “子宮乳"，影響與 TOs 的營養交換；2D Transwell 模型無法模擬胎盤絨毛的 3D 分支結構和母體血液流動產生的剪切力。

• 需求

通過生物工程優化（如倒置培養、開放 ECM 支架）調整細胞極性；利用微流控技術構建 3D 血管網絡。

3. 形態功能整合（Challenge 3）

• 問題

共培養策略（如接觸 / 非接觸、靜態 / 動態）直接影響模型間互作的真實性，且缺乏通用共培養培養基。

• 實例

靜態共培養無法模擬母體血液灌注對 STB 功能的調控；TOs 與 EOs 的共培養培養基需平衡兩者的分化需求（如 EOs 需 E2/P4，TOs 需特定生長因子），現有培養基易導致一方功能異常。

• 需求

根據研究目標選擇共培養方式（如研究營養交換用 Transwell，研究侵襲用 3D ECM）；開發 “最小支持培養基"，利用模型間互作補償缺失因子。

4. 體內基準驗證（Challenge 4）

• 問題

缺乏標準化的驗證標準，模型與體內母胎界面的一致性難以量化。

• 建議驗證維度

細胞組成：通過單細胞測序比對模型與體內細胞的轉錄組特征；

形態結構：通過免疫熒光驗證關鍵細胞的空間定位（如 EVT 圍繞螺旋動脈）；

功能指標：檢測激素分泌（如 HCG、孕酮）、物質運輸（如葡萄糖轉運）、EVT 侵襲能力是否與體內匹配。

5. 路徑依賴性（Challenge 5）

• 問題

模型的發育狀態依賴其前期培養條件，不可逆的發育路徑可能導致功能異常。

• 實例

孕早期 TOs 已失去初級合胞體的侵襲能力，無法模擬著床期的初始侵襲：未經歷蛻膜化的 EOs 無法與囊胚建立有效互作，因蛻膜化是子宮內膜容受性的前提。

• 需求

在整合前同步各模型的發育階段（如 EOs 先經 E2/P4 誘導蛻膜化，TOs 誘導至 EVT 分化狀態）。

6. 時空協調（Challenge 6）

• 問題

母胎界面的互作具有嚴格的時空順序，體外模型難以重現這一動態過程。

• 實例

囊胚需在子宮內膜 “容受期"（分泌中期）附著，提前或延遲的共培養會導致著床失敗；EVT 對螺旋動脈的重塑需在母體血液灌注前完成，否則會導致胎盤缺血。

• 需求

通過誘導分化時序控制各模型的發育階段，利用實時成像監測互作動態。

7. 倫理考量（Challenge 7）

• 問題

模型復雜性越高，倫理爭議越大，需根據細胞組成分類管理。

• 倫理分類與監管建議

模型類別

細胞組成

倫理風險

監管要求

類別 1僅子宮內膜 + 胎盤細胞（無胚胎成分）

低（無法發育為人類個體）

1. 需獲取原代組織的知情同意

2. 遵守國家組織樣本管理法規

類別 2子宮內膜 + 干細胞衍生胚胎模型（如囊胚樣結構）

中（含胚胎譜系，有潛在發育能力）

1. 符合 ISSCR 指南（如禁止移植到子宮）

2. 需倫理委員會專項審查

類別 3子宮內膜 + 人類胚胎

高（涉及人類胚胎研究）

1. 嚴格遵守國家胚胎研究法規（如培養時限限制）

2. 禁止超出研究必需的胚胎操作

五、解決挑戰的技術策略與未來方向

（一）核心技術手段

1. Kirkstall Quasi Vivo 器官芯片（Organ-on-a-Chip）

優勢：構建 3D 動態微環境，精確控制流體剪切力、壓力等物理參數，模擬母體血液灌注。

• 應用實例

胎盤芯片：含微通道和多孔 ECM 支架，一側接種 STB，另一側接種內皮細胞，可研究藥物跨胎盤運輸和 EVT 侵襲；

母胎界面芯片：整合子宮內膜上皮、基質、血管和 TOs，模擬著床期多細胞互作和血液營養轉換。

2. 水凝膠與微圖案化技術

• 水凝膠優化

基于子宮內膜 ECM 成分（如膠原、纖連蛋白）設計合成水凝膠（如 PEG 基水凝膠），模擬體內剛度和生化信號；脫細胞子宮組織衍生水凝膠可保留天然 ECM 的生物活性，支持 EOs 和 TOs 的形態發生。

• 微圖案化

通過接觸印刷、光圖案化技術在水凝膠表面構建特定拓撲結構（如模擬子宮腺窩），引導細胞空間定位；光控釋放技術可實現生長因子的時空精準遞送，調控細胞分化時序。

3. 高通量篩選與實時成像

• 高通量篩選

利用自動化平臺測試 ECM 成分、培養基配方、藥物濃度等參數，快速優化模型培養條件；結合轉錄組和分泌組分析，定義模型的分子特征。

• 實時成像

光片顯微鏡（Light-sheet microscopy）：低光毒性、高分辨率，可長期監測囊胚與子宮內膜的動態侵襲過程；

光遺傳學工具：通過光控激活特定信號通路（如 NOTCH、RAC1），精確調控細胞行為，解析互作機制。

4. 生物力學理論與建模

通過力學建模量化組織剛度、剪切力對細胞行為的影響（如 EVT 侵襲速度與 ECM 剛度的關系）；結合體外實驗驗證，預測體內母胎互作的關鍵機制（如螺旋動脈重塑異常與子癇前期的關聯）。

（二）未來研究方向

模塊化整合策略

將子宮內膜、胎盤、胚胎模型分別誘導至特定發育階段后再整合，避免相互干擾（如先將 EOs 蛻膜化，TOs 分化為 EVT，再與囊胚樣結構共培養）。

多組學基準數據庫

建立人類母胎界面的單細胞轉錄組、空間轉錄組、蛋白質組圖譜，為模型驗證提供標準化參考。

疾病模型構建

利用患者來源的 TOs 和 EOs（如子癇前期患者、反復著床失敗患者）構建疾病模型，篩選致病機制和治療靶點。

跨學科協作

整合生殖生物學、生物工程、物理學、倫理學，推動模型從 “形態模擬" 向 “功能模擬" 升級，最終實現對人類妊娠全過程的體外重現。

六、總結

本綜述系統梳理了人類母胎界面的體內機制、現有體外模型及整合挑戰，提出 “以互作為核心" 的研究框架。Vladyslav Bondarenko et al.Cell Stem Cell 32, September 4, 2025

現有模型已能模擬母胎界面的部分功能（如 TOs 的 EVT 分化、EOs 的激素響應），但需通過生物工程技術（Kirkstall Quasi Vivo器官芯片、水凝膠）解決形態功能整合問題，并建立嚴格的體內基準驗證體系。

未來，跨學科協作和倫理規范將是推動母胎界面模型從基礎研究走向臨床應用（如優化 IVF、防治妊娠并發癥）的關鍵。

Kirkstall Quasi Vivo®類器官串聯3D灌流共培養系統