Nature | 单细胞及空间多组学构建孕早期滋养层发育的空间多组学图谱

作者通过10x snRNA-seq、10x snRNA-seq结合10x snATAC-seq、和10x Visium的多模态方法对三人着床部位（妊娠后（PCW）6-9周）的冻存组织的连续切片进行分析。作者分两步研究滋养层的异质性。首先，分析了P13（约9 PCW）的全厚度着床部位，因为它在同一切片上包含胎儿（胎盘）和母体（子宫内膜和平滑肌）组织。其次，作者整合数据集（约5-13 PCW）验证滋养层细胞群和它们的标记物，通过考虑典型标记物及其空间位置对滋养层子集进行注释。在胎盘绒毛中，绒毛细胞滋养层（VCT）融合形成与子宫内膜间空间的母体血液接触的覆盖层合体滋养层（SCT）。在P13供体以及所有其他供体中，VCT子集高度表达TP63和CDH1。VCT和VCT增殖型（VCT-p）上调已知的干细胞和前体细胞标志物、Wnt信号分子、SEMA3F-NRP2信号复合物和VCT标记物。

为了进一步研究EVT分化途径，作者使用一种名为StOrder的统计框架来研究侵入性EVTs的可能轨迹。StOrder结合了空间和单细胞转录组的数据，以重建空间中可能的细胞转变。结果表明，EVTs-2位于锚定绒毛的远端，可以转变为通过蜕膜基质侵入的iEVT，也可以转变为在动脉内向下移动的eEVT。高侵袭性iEVT被蜕膜基质细胞和免疫细胞包围，并最终在蜕膜和子宫肌层深处融合形成胎盘床GC。接着，作者通过使用MEFISTO分析多模式RNA-seq和ATAC-seq数据，探讨了可能介导EVT侵袭的调控程序。

接下来，作者探讨在VCT至EVT分化过程中触发的细胞固有调控程序是否也存在于由具有自我更新能力的初级滋养层类器官（PTO）和滋养层干细胞（TSC）产生的EVTs中。为此，作者对以下样本进行了scRNA-seq：(1) 在EVT培养基（EVTM）存在下分化的PTO（PTO-EVTM）。作为对照，使用在滋养层细胞团培养基（TOM）中生长的PTO（PTO-TOM）；(2) 在EVTM存在下分化的TSC（TSC-EVTM）。在这里，作为对照的是在滋养层干细胞培养基（TSCM）中生长的TSC（TSC-TSCM）。作者使用逻辑回归分类器将体内数据投影到体外滋养层细胞上，发现PTOs比TSCs更好地再现了VCT的异质性。在PTOs中存在体内定义的四个VCT亚群，它们表达相同的典型标志物。在PTOs中，VCT-CCCs在EVTM存在下富集，这触发了FOXM1-NOTCH1轴、NF-κB和AP-1调节器的上调。相反，在TSCs中找不到真正的VCTs。当在TSCM中生长时，滋养层干细胞（VCT-TSC）被诱导为VCT-CCC。在TSCs和PTOs中，VCT-CCCs在EVTM培养基存在下富集，这触发了NOTCH-FOXM1轴，也导致EVT-1中IRF6和TP63的进一步下调。

通过scRNA-seq和snRNA-seq作者探索了蜕膜微环境中存在复杂的配体-受体相互作用。首先，蜕膜自然杀伤细胞（dNK）通过多个配体-受体对与EVTs相互作用，且通过单分子荧光原位杂交（smFISH）验证了这些受体在EVT-2处的表达上调。其次作者发现侵入性EVTs与蜕膜母体巨噬细胞（dM）之间存在多种相互作用。母体巨噬细胞会上调粘附受体基因，而其同源受体也会在EVTs中表达。此外，dM1和dM2会表达趋化因子基因，而与之对应的受体基因会在侵入性EVTs中上调。CXCR6+的EVTs和CXCL16+ 蜕膜巨噬细胞的植入部位非常接近。而且CXCL16能够上调胎盘特征基因、内皮完整性相关基因、细胞角蛋白、肌动蛋白结合分子和凝集素家族成员。GCs是由iEVTs和上调的黏附基因融合形成并且且参与EVT侵入的受体在GCs中下调。iEVTs从蜕膜迁移到子宫肌层通过与EFNB1结合的子宫肌层平滑肌细胞(uSMCs)特异性表达EPHB1和EPHB4，又因EFNB1在iEVT和GCs中表达升高，进而完成迁移。

作者先定义了动脉中膜中的两种血管周细胞状态，PV1和PV2。在PV1中，通过结合scRNA-seq和smFISH进一步确定了两种细胞状态：PV1-AOC3和PV1-STEAP4，并绘制了血管周细胞亚群和可能导致内侧破坏的侵袭性绒毛外滋养层细胞（iEVT）之间的相互作用图。作者发现，iEVTs上调PV1-AOC3中同源受体基因上调的特定细胞信号分子。之后利用多重smFISH验证了表达PTPRS的iEVT与表达NTRK2和NTRK3的血管周围细胞之间的紧密接近性。eEVT最初在螺旋动脉中形成栓塞，从而限制高压母体血液流入绒毛间隙。eEVT中配体和受体基因的上调提示了主动Notch信号传导，并且血管系统中eEVT的相互作用可以由EPHA1、CXCL12、FLT4和ANGPT4介导。利用空间转录组学，作者可视化了动脉塞中细胞外基质成分和Notch相互作用的表达。这些发生在母体和胎儿细胞之间的配体-受体相互作用可能是介导母体动脉转化的关键，而母体动脉转化对于成功妊娠来说至关重要。

这项研究讨论了滋养层细胞侵入子宫在妊娠中的关键作用，以及异常的滋养层侵袭的后果。异常的侵袭通常会导致包括先兆子痫、胎儿生长受限、不明原因死产、胎盘早剥和早产等妊娠疾病。作者利用妊娠早期子宫切除术的历史收集样本来分析滋养层景观，并开发了一个统计框架，通过单细胞多组学、空间转录组数据描述了妊娠早期滋养层的完整侵袭轨迹。此外，作者还对目前模拟EVT分化的体外模型进行了基准测试，发现来自子宫细胞和血清的母体信号对于产生终末EVT和深度侵袭性GC是十分必要的。最后作者探索了EVT和母体蜕膜细胞之间的潜在相互作用，预测了母体巨噬细胞和EVT之间的配体-受体相互作用以及动脉转化的潜在分子和细胞介质。以上这些研究不仅有助于开发有效的实验室模型来研究胎盘发育，更促进形成了妊娠疾病的诊断、预防和治疗的新方法。