豬胎盤屏障的研究進展

韋尚麗，鄭琛，劉彥，馮濤*

(1. 北京市農林科學院畜牧獸醫研究所，北京 100097；2. 甘肅農業大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070)

隨著養豬業規模化發展，育種技術不斷提高，母豬的產仔數逐漸增加，以下兩大問題日益突出，亟待解決。一是初生仔豬窩內體重均勻度下降，導致斷奶前死亡率上升，斷奶后體重差異較大，限制了現代養豬生產中管理效率和生產效益的提高[1]；二是宮內發育遲緩(intra-uterine growth restriction，IUGR)，IUGR導致的低出生體重在多胎動物特別是豬上非常普遍，約15%～25%的新生仔豬體重低于1.1 kg。低初生重豬不但提高了斷奶前的發病率和死亡率，而且也降低了后期飼料利用率和生長性能，給養豬生產帶來巨大的經濟損失[2]。出現上述兩大現象的主要原因是經胎盤屏障轉運的母體營養物質不能滿足胎兒生長發育的需要。在胎兒發育過程中胎盤屏障的主要作用是物質的雙向交換，因此胎盤屏障逐漸成為胎兒發育相關研究的熱點內容，它是營養物質、病毒、藥物等從母體進入胎兒的必經之路[3]，胎盤能阻止大部分微生物和毒物等從母體進入胎兒、同時也是維系母胎間物質轉運、氣體交換與血液循環的唯一部位[4]。鑒于“胎盤屏障”的重要作用，本文綜述了胎盤屏障的結構、功能以及影響胎盤屏障功能的因素，以期為相關研究和養豬生產提供參考。

1 豬胎盤屏障的結構

胎盤的分類主要有兩種，一種是根據胎盤的整體結構以及與母體子宮內膜接觸的部位進行分類[5](表1)，另一種是根據胎兒與母體血液交換需要經過的組織層次數目進行分類[6](表2)。

表1 胎盤按絨毛膜與子宮內膜接觸部位分類

表2 胎盤按組織層次分類

豬胎盤屬于非脫膜彌散型上皮絨毛膜胎盤，胎兒與母體的物質交換需要經過6層組織的胎盤屏障(如圖1)：母體微血管壁內皮細胞層、結締組織層、子宮內膜上皮層、胎兒內膜上皮層、胎兒絨毛結締組織層和胎兒微血管壁內皮細胞層[7]。

圖1 豬胎盤屏障結構圖

2 豬胎盤屏障的功能

2.1 物質交換

胎盤可以將母體的營養物質如氨基酸、脂肪、葡萄糖等轉運至胎兒側，也可將胎兒的代謝產物如尿素等轉運到母體側。母胎間物質交換功能的實現主要依賴于胎盤滋養層細胞中豐富的轉運載體[8]，這里主要對氨基酸和葡萄糖的轉運載體進行綜述。

2.1.1 氨基酸

氨基酸不但是合成蛋白質的原料，而且是神經遞質、核苷酸及多胺等非蛋白質合成的重要前體物質，是一種不可或缺的營養物質，對胎兒的生長發育至關重要[8]。豬胎盤與所有動物組織一樣，不能從頭合成10種氨基酸(半胱氨酸、組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和酪氨酸)，也不能將谷氨酸，谷氨酰胺和脯氨酸轉化為精氨酸，因此，母體只能通過血液循環將一些氨基酸提供給胎兒來滿足胎兒生長發育的需要[9]。但是氨基酸跨胎盤轉運的過程紛繁復雜，主要是依靠分布于胎盤滋養層細胞微絨毛膜以及基底膜上的各種不同氨基酸轉運載體相互協調來調節其跨胎盤轉運過程[10]。研究證實，在豬胎盤滋養層細胞溶質載體基因(solute carrier(SLC)genes)中有許多是氨基酸轉運體，包括SLC1、SLC3、SLC6、SLC7、SLC16、 SLC36和SLC38基因家族的成員(見表3)，其中高度表達的有3個，分別是SLC1A3、SLC7A4和SLC16A10；在胎盤高柱狀滋養層上皮細胞中的表達量顯著高于短立方體滋養層上皮細胞中的基因有3個；在短立方體滋養層上皮細胞中的表達量顯著高于高柱狀滋養層上皮細胞中的基因有2個[11]。形態結構與功能密切相關，短立方體滋養層上皮細胞相對于高柱狀滋養層上皮細胞具有較強的遷移能力，較弱的運輸分泌能力。在妊娠后期，大白豬和梅山豬褶皺底端都為立方狀，使胎盤褶皺進一步充分發育，進而增加褶皺的復雜性，提高單位面積母胎界面營養物質的交換效率[12]。

表3 妊娠85 d豬胎盤褶皺立方狀和高柱狀滋養層上皮細胞中SLC基因表達量(n=4)

2.1.2 葡萄糖

維持細胞能量代謝及生命活動的主要原料是葡萄糖。葡萄糖與蛋白質均不能以自由擴散的方式進入細胞，其主要通過兩種方式被吸收，一是主動轉運，如小腸和腎小管對葡萄糖的吸收；二是載體介導的異化擴散，胎盤細胞對葡萄糖的攝入是由鑲嵌在細胞膜上的葡萄糖轉運體(glucose transporters，GLUTs)來完成。葡萄糖是胎兒生長發育所需的基礎性營養物質，因此，葡萄糖從母體向胎兒的跨胎盤轉運對胎兒生長發育至關重要。葡萄糖的轉運載體較多，按照蛋白序列的相似性可分為3類[13]，見表4。在葡萄糖轉運體家族中，GLUT1、GLUT3和GLUT12是豬胎盤中最主要的三種葡萄糖轉運體亞型，GLUT4和GLUT10也被檢測到[11, 13]。Che等[14]用消化能為12.56 MJ /kg的飼糧飼喂妊娠期的大白豬，結果發現妊娠90 d時，靠近輸卵管的胎盤中GLUT的表達量比靠近子宮頸位置的高，胎兒重量和血液中葡萄糖濃度也顯著升高。

表4 葡萄糖轉運載體

綜上，氨基酸和葡萄糖轉運載體的表達影響胎盤效率和胎兒的生長發育。因此，載體基因的表達調控是研究胎盤屏障功能的重要內容之一。

2.2 屏蔽功能

妊娠期的胎盤是聯系母體血液循環與胎兒血液循環的橋梁，一般認為物質轉運的方式主要有四種，即主動轉運、自由擴散、協助擴散、胞吞胞吐，但并不是所有的物質都能通過以上四種方式從母體進入胎兒。目前研究主要集中于哪些物質能被胎盤屏蔽，且主要集中在人和鼠上，豬上的相關報道較少。趙麗穎等[15]建立人中、晚期胎盤屏障模型(中期屏障作用較強)后，研究了胎盤對雙黃連凍干粉的屏障作用，結果發現：在妊娠中期，體外模型中沒有檢測到待測成分，但在妊娠晚期的體外模型中檢測到了雙黃連凍干粉的四種主要成分(木犀草素，連翹苷，黃芩苷和漢黃芩苷)。張婉怡等[16]利用鐵蛋白、高分子聚乙二醇、檸檬酸三種物質修飾納米金后注射給胎齡5.5～15.5 d的小鼠，結果發現：在胎齡11.5 d接受注射后，胎鼠納米金的含量較其他組顯著下降，這一結果與小鼠胎盤屏障在10 d左右形成相一致。另外，胎盤對鎘、汞的屏蔽作用也有相關的報道，人胎盤組織中鎘水平是臍帶組織中鎘水平的59倍，主要原因可能是微量元素硒與鎘形成了鎘-硒復合物，將鎘留在了胎盤中；臍帶組織中無機汞、甲基汞的水平依次是胎盤組織中的2.4、1.6倍[17]。上述研究均表明胎盤具有屏蔽功能，豬胎盤的基本功能與人和鼠是相似的，但結構和具體功能仍有差別，豬胎盤的屏障功能有待進一步研究。

2.3 分泌功能

母體維持妊娠和孕育胎兒需要建立一個適宜的宮內環境[18]。豬胎盤中的細胞，尤其是滋養層細胞能分泌和運輸大量生長因子和激素，如血管內皮生長因子、表皮生長因子、胰島素樣生長因子、雌激素、孕酮等，有利于母體對妊娠信號的識別、胎盤血流量的增加和營養物質的運輸。

2.3.1 分泌生長因子

血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)主要是由胎盤屏障的血管內皮細胞和滋養層細胞分泌的一種大約45 kDa的二聚體，又叫血管通透因子，是有效的促血管生成因子之一，通過與其兩種特殊的膜受體(VEGF-R1和VEGF-R2)結合促進內皮細胞增殖和遷移，促進血管生成并增加通透性[19-20]。Jeong等[21]研究證實，后備母豬在妊娠前期植入階段(妊娠第12～15天)，胎盤滋養層細胞中VEGF及其受體(VEGFR-1和VEGR-2)的表達量高于發情期。

表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)不僅是一種多功能生長因子，在調控子宮內膜腔上皮細胞生長、增殖、分化、信號轉導過程中起重要作用，也是一種強有力的刺激生長因子，通過誘導不同物種滋養層細胞增殖、存活、分化、遷移來影響胎盤的發育。它通過與其受體(EGFR)結合發揮生物學效應。在母豬妊娠第13～14天時，EGF、EGFR的mRNA和蛋白質在子宮內膜腔上皮細胞和孕體滋養外胚層細胞中的表達非常豐富，是調節二者增殖和遷移的信號[22]。

胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors，IGFs)是7.5 kDa的單鏈多肽，其功能是促進各種細胞的代謝、分裂及分化[23]。在含有0.4 mmol/L精氨酸的豬胎盤滋養層細胞培養基中分別添加3 mmol/L的L-NMMA(NO合成酶抑制劑)、5 mmol/L的DFMO(多胺合成抑制劑)后，發現豬胎盤滋養層細胞中IGF-ⅠmRNA表達量下降，然后在加入抑制劑的基礎上用0.5 mmol/L的硝普鈉(SNP)和10 μmol/L腐胺(NO供體)處理，發現該細胞中的IGF-ⅠmRNA的表達量又升高[6]，說明豬胎盤滋養細胞能分泌IGFs。

2.3.2 分泌生殖激素

豬妊娠期間，孕體于11 d分泌雌激素，且在第12、15天時達到2次高峰。妊娠早期，雌激素分泌使得子宮上皮發育到接受狀態且通過分泌功能來維持胚胎的迅速發育。有研究表明，子宮上皮細胞的分泌活性和生長是由本身與基質細胞的相互作用來調控。在豬胚胎附植期，子宮內的雌激素誘導骨橋蛋白在子宮內膜腔上皮特異表達，孕體滋養層細胞與子宮上皮之間的黏附受骨橋蛋白與整合素受體結合的調節使子宮內膜轉變成黏附狀態，易于接受胚胎的附植[24]。郭棚[6]研究表明，在母豬胎盤滋養層細胞培養基中添加0.2、0.4、0.8、1.6、3.2 mmol/L精氨酸，能使培養基中雌二醇(E2)和孕酮(P4)含量增加。胎盤和胎兒血漿中E2水平影響二者發育，繼而影響胎兒出生后的健康程度和生命力。在豬上，正常體重、弱仔和死胎仔豬血漿中E2水平存在顯著差異，且隨著產仔數的增加，初生重和胎盤重顯著降低，E2濃度也顯著降低[25]。在人，先兆子癇(preeclampsia，PE)患者表現為血液中睪酮水平顯著升高而E2水平顯著降低，伴隨著胎盤HSD17B3表達水平增加和CYP19A1表達水平降低，這種類固醇激素合成代謝紊亂導致母胎界面和母體組織中血管擴張不足和血管損傷加劇，繼而導致胎兒發育受阻，形成IUGR[26]。

妊娠末期人血漿中P4水平幾乎是黃體期的100倍[27]，說明妊娠后期，胎盤代替黃體成為P4合成和分泌的主要器官。胎盤發育是滋養層細胞增殖分化的結果，滋養層細胞分化與類固醇激素合成分泌密切相關。Ao等[28]研究發現妊娠65 d的克隆豬胎兒體重較人工授精豬小，且羊水中類固醇激素水平較低，胎盤組織中CYP11A1基因表達水平降低。

綜上，胎盤屏障分泌的生長因子和生殖激素影響滋養層細胞的增殖分化、胎盤血管的發生和生成，繼而影響胎盤及胎兒的生長發育。

2.4 免疫調節

妊娠母豬與胎兒的血液循環系統相互獨立、互不相通，母體產生的部分抗體通過胎盤到達胎兒，增強胎兒免疫力，這一過程與胎盤屏障功能密切相關。根據前人研究得知，胎盤屏障的免疫調節極其復雜，其機制主要有：1)自我保護與調節：孕體被滋養層細胞分泌的類纖維蛋白覆蓋，逃避了母體免疫細胞的識別；滋養層細胞分泌促乳素，是免疫細胞識別和應答的直接靶細胞。2)補體調節蛋白：子宮內膜細胞分泌IgG和IgA，在胎盤發育過程中補體調節蛋白的含量及功能活性不一致[29]。3)免疫細胞聚集和細胞因子的分泌：免疫細胞在子宮內膜腔的聚集是豬妊娠成功的關鍵。在胎盤建立的過程中，自然殺傷細胞大量聚集在子宮內膜腔下面、血管周圍、子宮內膜腺體并廣泛的分散在基質中。除此之外，T細胞也聚集在子宮內膜中[30]。在充分了解胎盤屏障免疫調節機制的基礎上增強妊娠母豬免疫功能，進而促進胎兒健康生長也是胎盤功能研究的主要內容之一。

3 胎盤屏障的影響因素

3.1 微生態環境

佟玉等[31]提出胎盤并不是一個無菌的環境，其中一些細菌有利于妊娠期母體與胎兒的互動。健康的胎盤中腸桿菌屬、乳酸桿菌屬及丙酸桿菌屬的含量較高，但在早產孕婦的胎盤中乳酸桿菌屬的含量較少[31]。也有學者利用16 s核糖核酸法、依賴培養法以及非依賴培養法證明胎盤、羊水、胎膜以及臍帶內的微生物菌群可引起不良妊娠，如早產、早發新生兒敗血癥及胎膜過早破裂等[32]。

3.2 胎盤所處的時期

妊娠早期子宮內膜腔上皮與孕體滋養層上皮相互黏附，基質層也比較薄，通透性最強基本無屏障作用；妊娠中期胎盤已形成，屏障作用最強；妊娠晚期，血管合體膜的面積僅為妊娠早期的1/10，而絨毛面積卻為妊娠中期的12倍，位于滋養層上皮細胞側的微血管進一步向母體側遷移，使部分區域胎盤的微血管與母體子宮內膜微血管之間的距離小于2 μm，血管間距縮小，有利于母體血液中的營養物質迅速轉運到胎兒血液中[33-34]。宋殿榮等[35]用補骨脂水煎液連續飼喂妊娠早、中、晚期的大鼠5 d后，結果發現：妊娠早、晚期，胚胎組織中的藥物成分與血漿中相同(均檢測到補骨脂苷、異補骨脂苷、補骨脂素，異補骨脂素)，在妊娠中期胚胎組織中只檢測到補骨脂素和異補骨脂素。鄧麗麗等[36]用妊娠早、中、晚期的Wistar大鼠灌胃黃芩水提液5 d，各孕期胚胎組織中，早期檢測到7個化合物，包括已歸屬的5個化合物；中期未檢測到待測成分；晚期檢測到除黃芩素以外的6個化合物。以上研究結果均證明，妊娠階段會影響胎盤屏障的功能。

3.3 物質自身的性質

物質能否穿過胎盤屏障到達胎兒血液與物質的理化特性及分子特性密切相關。被動擴散是許多藥物通過胎盤的主要形式，主要應用于相對分子質量小于600 Da的疏水性物質。相對分子質量大于1 000 Da的物質多以主動運輸的方式通過胎盤屏障，這與滋養層表面的載體蛋白密切相關[37]，如氨基葡萄糖(GlcN)可被葡萄糖轉運蛋白GLUT1、GLUT2和GLUT4運至細胞內直接發揮作用[38-39]。由于胎兒血漿pH值較母體低0.1，弱堿性物質穿過胎盤屏障后易被蓄積在胎血中[40]。除此之外，影響物質透過胎盤的因素還有很多，如離子化程度、蛋白結合率、脂溶性，胎盤自身的功能、對物質的代謝能力，母胎循環的血流速度，代謝酶的生物轉化以及母體和胎兒肝臟對物質的代謝等[41]。

3.4 營養狀態

3.4.1 氨基酸水平

一般認為動物機體可以自身合成非必需氨基酸，能夠滿足動物生長發育的需要，因此其重要性易被忽視。然而，近年來一些學者發現母體的非必需氨基酸并不能使胎兒很好的生長發育，楊慧等[42]研究發現，在母豬基礎日糧中添加1%的L-精氨酸，其窩產仔總數要比0.75%、0.40%添加組和對照組(不添加)依次多了0.35、0.79和1.08頭，窩產活仔數依次增加了0.78、1.03和1.45頭，初生窩重依次增加了0.85、1.70和2.19 kg。因此，如果把氨基酸按照原來的方法進行劃分時有一定局限性，據此，有學者提出了“功能氨基酸”的概念[43]，其概念是指能夠調節動物機體的關鍵代謝通路，進而改善動物的健康、存活、生長、發育、泌乳和繁殖的氨基酸，主要包括精氨酸、亮氨酸等[44]。

郭棚[6]在豬胎盤滋養層細胞培養基中添加不同濃度的精氨酸(0.2、0.4、0.8、1.6、3.2 mmol/L)，發現：顯著促進了細胞增殖。劉煬等[45]利用濃度為0、0.01、0.05、0.1、0.25、0.5、1、5、10 mmol/L亮氨酸對豬胎盤滋養層細胞處理24、48、72 h后，結果發現：0.01和0.05 mmol/L處理組24、48 h后，細胞數極顯著的降低；1～10 mmol/L組處理72 h后，細胞數也極顯著的降低。由此可知，功能性氨基酸可調控胎盤滋養層細胞增殖，滋養層細胞又是胎盤屏障的主要結構之一，母豬在妊娠期日糧中應保證適宜的氨基酸含量。

3.4.2 功能性添加劑水平

研究表明，妊娠期與非妊娠期動物機體的代謝途徑有所不同，這種不同隨妊娠期延長越來越明顯，妊娠后期胎兒發育迅速，大大增加了營養物質的需要量，給母體代謝造成了嚴重負擔，容易發生氧化應激；代謝產生的自由基對胎盤絨毛造成嚴重損傷，使線粒體膜、絨毛膜和胎盤功能異常，影響胎兒在子宮內的正常發育[5]。朱加桃[46]研究發現，在基礎日糧中添加0.1%、0.2%、0.3%的β-羥基-β-甲基丁酸(β-hydroxy-β-methyl-butyrate，HMB)，飼喂妊娠100 d到泌乳第7天的母豬，妊娠后期，0.2%組IUGR發生率較其他兩組分別低5%、5.77%。在基礎日糧中添加0、50、100 g/t低聚殼聚糖，飼喂妊娠85 d到分娩21 d的母豬，發現50 g/t組仔豬初生窩重顯著高于其他兩組[5]。因此，在妊娠日糧中正確使用飼料添加劑是調控胎盤屏障功能可行的方法之一。

3.5 上皮細胞的形態

上皮細胞的形態不同，會影響胎盤厚度和面積，進而影響胎盤營養物質交換功能。胎盤褶皺是由妊娠中期子宮內膜腔上皮細胞與滋養層上皮細胞的遷移和重塑形成的，它會影響胎盤效率，進而影響產仔數。胎盤褶皺的滋養層上皮細胞可分為兩種形態，一種是位于頂端增殖能力弱的高柱狀細胞，另一種是位于底端增值能力強的立方狀細胞。在妊娠50 d時，胎盤褶皺頂端和低端的滋養層上皮細胞形態無品種差異，但是在妊娠95 d時，不同品種間滋養層上皮細胞存在顯著性差異。以大白豬和梅山豬為例，大白豬胎盤褶皺頂端滋養層上皮細胞的形態仍然為高柱狀，底端的滋養層細胞變為更小的立方狀，而梅山豬褶皺頂端和底端的滋養層上皮細胞都為立方狀；褶皺頂端和底端的子宮內膜腔上皮細胞雖然在不同時期有顯著差異，但是在品種間無顯著差異[12，34]。這說明在妊娠95 d時，大白豬胎盤褶皺滋養層上皮細胞的遷移能力比梅山豬的弱，胎盤褶皺較簡單化，限制了營養物質從母體到胎兒的運送，胎盤效率較低。

3.6 糖皮質激素

過量的糖皮質激素會減緩豬胎盤及胎兒生長發育進而出現IUGR。11-β羥基類固醇脫氫酶(HSD11B1和HSD11B2編碼)和糖皮質激素受體控制該激素在細胞內的作用[47]。HSD11B1主要催化具有生物活性的糖皮質激素11-脫氫皮質酮或可的松向皮質酮或皮質醇轉化[48]；HSD11B2在胎盤局部將糖皮質激素分解為無生物活性的11-脫氫皮質酮或可的松，用于保護胎兒免受糖皮質激素過量的傷害，起到功能性屏障作用[49-50]。近年來的研究表明，HSD11B2基因在胎盤上表達并能將母體的皮質醇轉化為可的松[49]，糖皮質激素與豬胎盤屏障有關。Shang等[51]給整個妊娠期的眉山豬飼喂低蛋白日糧后發現，分娩時總產仔豬中雌胎兒出現IUGR且IUGR胎兒胎盤中HSD11B2的活性降低。Kanitz等[47]給整個妊娠期母豬飼喂蛋白質與碳水化合物比值為1∶5、1∶1.3、1∶10.4的日糧，發現妊娠94 d胎盤中1∶10.4組較1∶5組糖皮質激素受體和HSD11B2基因表達顯著上調，分娩時胎兒初生重也顯著降低。可見，糖皮質激素及其受體也是影響胎盤屏障功能的重要因素之一。

4 展望

綜上所述，胎盤屏障作為母胎之間物質交換的橋梁，在胎兒生長發育過程中扮演著重要的角色。在深入了解胎盤屏障結構、功能和影響因素的基礎上，如何通過營養調控手段促進胎盤屏障發育、改善胎盤結構、增強分泌功能、調控影響因素來提高母豬繁殖效率及其相關機制將是今后豬胎盤屏障研究的主要方向。