Nature丨空间蛋白+空间转录解析人类母胎界面的时空分辨图谱

妊娠6-20周个体完整蜕膜中的50万个细胞和近600条动脉血管，n=66

作者对66名接受选择性终止妊娠且胎儿无异常的志愿者胎膜和蜕膜组织进行收集、福尔马林固定和石蜡包埋。设计37重抗体组合（功能标记蛋白）并通过多路离子束飞行时间成像（MIBI-TOF）对样本进行空间蛋白组分析；空间转录组数据通过深度学习算法对细胞进行分割，分成25个细胞群并结合标志物及组织学特征进行手动注释。作者鉴定到总的细胞类型为结构细胞、免疫细胞、胎儿细胞。其中结构细胞由成纤维细胞、血管内皮细胞和腺体上皮细胞组成；免疫细胞以巨噬细胞和NK细胞为主，T细胞、树突状细胞、肥大细胞数量很少；胎儿细胞分为四个EVT亚群，表达marker不同。

在免疫细胞中，蜕膜巨噬细胞普遍表达CD163和CD206，这与M2极化的耐受性表型一致。根据CD11c和HLA-DR表达将DC-SIGN+巨噬细胞进一步分为三个亚群：Mac2a，Mac2b和Mac2c。NK细胞根据CD57，CD11c和CD8的组合表达分成四个亚群：NK1，NK2，NK3和NK4。T细胞由CD8⁺ T细胞、NK T细胞，CD4⁺T细胞和少量的Treg细胞组成。免疫细胞的组成和表达可能对驱动母体耐受起到关键作用。综上，母体和胎儿中功能细胞共同排列以维持妊娠期间耐受性的生态位。

异常的SAR与产科并发症有关，但其背后的细胞调控尚不清楚。作者通过时空图集构建了SAR轨迹，对588条动脉样本进行阶段归类，根据动脉扩张、平滑肌损失与EVT内皮化程度分为5个阶段。结果展示SAR虽与胎龄（GA）相关，但在某些时期里一致性不完全。作者开发了一个算法判定SAR与GA的相关性，对每个动脉样本提取35个参数，结合手动分期构建SAR的高度解析拟时轨迹，并赋予SAR重塑评分（δ）。通过线性回归分析，蜕膜EVT的频率与SAR的相关性较强，而母体免疫细胞比例的变化主要由GA驱动。

作者对免疫细胞与胎龄的相关性进行评估，随着GA增加（6-20周），细胞类型从NK细胞T细胞表现出细胞毒性及免疫抑制，逐步转化到以间质细胞和耐受性巨噬细胞为主。通过建立测试训练队列的脊回归模型，发现T细胞和NK细胞的相对频率与GA呈负相关，而总巨噬细胞频率与GA呈正相关，但基于相同免疫细胞频率预测SAR（δ）的回归模型表现不佳，这证明了免疫系统的改变是由GA而不是SAR驱动的。

作者分析GA和SAR与各细胞类型中关键基因蛋白的变化关系。首先，SAR 和 GA 都与 IDO-1⁺表达的动态变化相关；其次，NK1细胞随着SAR增加表现出Ki67⁺的增加；第三，先天免疫的功能变化优先与GA相关，巨噬细胞都表现了TIM-3和GAL-9的上调。作者进一步确定GAL-9⁺成纤维细胞与空间生态共定位的关系，通过对每个细胞最近邻的细胞类型组成进行聚类来识别组织微环境。GAL-9⁺成纤维细胞强烈倾向于与CD57⁺ NK细胞共定位。值得注意的是，这种趋势伴随着 NK2 细胞中诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 表达的 GA 依赖性增加。结合在早期SAR中观察到的NK2细胞血管富集，这些发现表明巨噬细胞和成纤维细胞的蛋白表达可能与胎儿EVT具有协同耐受作用，以此减轻NK细胞依赖性的免疫细胞毒性。

作者在图像中划分MIBI的数据，定义了EVT的三个区室：绒毛及间质区、螺旋动脉及血管周围、重塑螺旋动脉及血管内。结合SAR时间轨迹，血管周围EVT在SAR中始终比血管内EVT更早出现。每个区室的增殖标志物揭示了EVT的渐进性转变：伴随着 PD-L1的增加，功能标志物在间质、血管周围和血管内 EVT 中逐渐减少，并在血管内室中达到峰值，这些分析结果与空间轨迹一致。为了证实标志物可证明动脉侵袭随着EVT转录进程改变，作者通过间质和血管内 EVT 的空间转录组信息，确定了对细胞外基质重塑和血管生成重要的基因的转录变化。为了进一步探究转录变化对SAR的促进，作者使用 NicheNet分析血管内 EVT 和动脉细胞之间潜在的细胞相互作用，确定了EVT和动脉之间的10种蛋白质-蛋白质相互作用，预计影响121个下游靶标，这些靶标与内皮功能障碍和细胞凋亡有关，且可调节血压和血管生成。综上所述，转录组学结果验证了空间图谱中EVT表型的变化进程，同时揭示了在妊娠相关疾病中受到干扰的途径。