单细胞测序在产科的应用研究进展中华医学会围产医学分会

本文引用格式：徐明明, 王雅萍, 李天爽, 等. 单细胞测序在产科的应用研究进展[J].中华围产医学杂志, 2025, 28(12): 1159-1162. DOI: 10.3760/cma.j.cn113903-20241015-00681.

摘要

单细胞测序技术在产科领域中的应用正逐步揭示胎盘发育、母胎免疫调控和妊娠期疾病的复杂机制。本文综述了单细胞测序的基本原理、在产科研究中的具体应用及其技术优势，特别是对子痫前期、妊娠期糖尿病和早产等妊娠期疾病的病理研究。文章还讨论了现有技术挑战、伦理问题，以及未来发展的可能方向，包括新技术进展、临床应用前景和多组学结合的潜力。

【关键词】单细胞测序；产科学；胎盘；母胎免疫；多组学分析

单细胞测序技术为生命科学研究提供了全新视角，尤其在解析胎盘等复杂组织的细胞异质性方面具有独特优势。传统测序技术在区分细胞类型和状态方面存在局限性，而单细胞测序能够精确揭示单个细胞的基因表达差异。在产科领域，该技术正助力科学家和临床医生深入理解胎盘发育、母胎免疫调控及妊娠期疾病的分子机制，为改善妊娠结局，以及实现疾病早期筛查和个性化治疗开辟了新途径。本文系统综述了单细胞测序技术在产科领域的应用进展，着重探讨其在妊娠期疾病研究中的成果，并分析该技术面临的挑战与未来发展方向。

一、单细胞测序技术概述

单细胞测序技术主要包括单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing， scRNA-seq）、单细胞DNA测序（single-cell DNA sequencing）、转座酶可及性染色质测序（assay for transposase-accessible chromatin using sequencing， ATAC-seq）和空间转录组学（spatial transcriptomics）等多种类型，各具独特优势。scRNA-seq可精确解析单个细胞的基因表达特征，适用于发育研究和疾病机制分析；单细胞DNA测序能检测基因组变异，在肿瘤研究中具有重要价值；ATAC-seq可揭示染色质开放状态，为表观遗传调控研究提供新视角；空间转录组学则整合了基因表达与空间位置信息，助力组织结构与功能解析^［^1-4^］。与传统测序技术相比，单细胞测序突破了“群体平均”的局限，能精准解析细胞异质性追踪动态过程，并揭示疾病机制^［^5-7^］。单细胞测序技术可精确识别特定细胞亚群的分子特征，为疾病诊断和治疗提供新思路，但其数据复杂度高、分析难度大，对计算资源和生物信息学方法提出了更高要求。

二、单细胞测序在产科领域的应用

1.胎盘发育与功能研究：scRNA-seq技术为解析胎盘细胞异质性提供了重要工具。胎盘包含滋养层细胞、合体滋养层细胞、免疫细胞和母体蜕膜细胞等多种细胞类型。这些细胞在妊娠不同阶段呈现动态功能变化^［⁸^］。scRNA-seq可精确解析各细胞亚群的基因表达特征。例如，研究发现滋养层细胞在早期妊娠阶段高表达胎盘生长因子和血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A， VEGF-A），而在晚期妊娠表达下调，提示其在胎盘发育中的阶段性功能^［^9-10^］。该技术还揭示了蜕膜细胞通过调控免疫耐受和血管生成维持妊娠的分子机制^［¹¹^］，以及胎盘微环境中各类细胞的互作网络^［¹²^］。这一方面的关键技术发现包括：（1）滋养层细胞亚群具有时空特异性基因表达模式；（2）蜕膜细胞通过特定信号通路（如转化生长因子-β）调控母胎界面免疫微环境；（3）细胞互作分析发现滋养层-免疫细胞对话对维持妊娠至关重要。这些发现为理解胎盘发育和妊娠相关疾病提供了单细胞水平的分子证据。

2.胎盘母胎界面：母胎界面（maternal-fetal interface）是维持妊娠的关键部位，其免疫微环境的平衡对胎儿发育至关重要。近年来，scRNA-seq技术为解析母胎界面的免疫细胞组成和功能提供了新的研究手段^［^13-15^］。研究表明，母胎界面中存在独特的免疫细胞群，其中子宫自然杀伤细胞（uterine natural killer cells， uNK cells）约占40%，调节性T细胞（regulatory T cells， Treg cells）占15%～20%^［16-17^］。这些细胞通过分泌细胞因子（如uNK cells产生的干扰素-γ）和免疫调节分子，共同维持母胎免疫耐受。scRNA-seq分析发现，在子痫前期患者中，uNK cells比例显著降低至约20%，同时Treg细胞的数量和功能也明显受损^［^18-19^］。这些改变可能导致母胎界面免疫失衡，进而引发妊娠并发症。

3.妊娠期疾病的单细胞测序研究：（1）子痫前期：子痫前期的特征性改变包括胎盘滋养细胞浸润不足和母体全身炎症反应。scRNA-seq研究发现，子痫前期患者胎盘中巨噬细胞表现出明显的促炎表型，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α， TNF-α）和白细胞介素-6（interleukin-6， IL-6）的表达水平显著升高^［^20-23^］。同时，uNK cells的活化标记物（如NKG2D）表达增加^［^24-25^］，提示母胎界面存在异常的免疫激活。（2）妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus， GDM）：GDM患者的胎盘组织scRNA-seq分析显示，滋养层细胞的葡萄糖转运蛋白1和己糖激酶2表达下调^［^26-27^］，而免疫细胞中TNF-α和IL-1β的表达上调^［^28-30^］。这些改变可能导致胎盘营养物质转运障碍和局部炎症反应。（3）早产：对早产胎盘的单细胞测序研究发现，炎症相关基因（TNF-α、IL-6）和氧化应激相关基因（NOX1、SOD2）的表达显著上调^［^31-32^］。这些分子改变可能通过激活分娩相关信号通路，最终导致早产。

4.妊娠期疾病的共同发病机制：尽管临床表现各异，但子痫前期、GDM和早产等妊娠并发症在胎盘病理改变方面存在共同特征^［^33-35^］。scRNA-seq研究揭示，这些疾病都伴有滋养细胞功能障碍、免疫细胞激活和血管形成异常等改变^［³⁶^］。这些发现为开发针对多种妊娠并发症的通用治疗策略提供了理论依据。

三、单细胞测序在围产医学中的研究进展

1.胎盘细胞异质性的单细胞解析：单细胞测序技术为深入理解胎盘细胞异质性提供了革命性工具。胎盘作为高度异质性的临时器官，包含滋养层细胞、间充质干细胞、内皮细胞和多种免疫细胞等^［⁸^］。通过scRNA-seq，研究者已绘制出胎盘发育过程中各细胞亚群的动态基因表达图谱。值得注意的是，在子痫前期患者中，滋养层细胞亚群表现出明显的基因表达异常，特别是与细胞侵袭相关的基因（如MMP2、HLA-G）表达下调^［²¹^，37^］，这与其功能受损密切相关。这些发现为阐明妊娠并发症的细胞分子机制提供了新视角。

2.母胎界面免疫调控的单细胞研究进展：母胎免疫耐受是成功妊娠的关键环节。scRNA-seq技术的应用为揭示母胎界面的免疫调控机制提供了全新视角。研究表明，该区域主要存在以下关键免疫细胞亚群：（1）uNK cells：约占母胎界面免疫细胞的40%，通过分泌血管生成因子（如VEGF-A）和免疫调节因子，参与胎盘血管重塑和局部免疫微环境调控^［²¹^］。最新scRNA-seq数据揭示，uNK cells存在CD56bright和CD56dim等2个功能亚群，分别参与免疫耐受维持和病原体防御^［³⁸^］。（2）Treg cells：约占15%~20%，通过表达细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4和程序性死亡蛋白-1等抑制性分子并分泌IL-10和转化生长因子-β等细胞因子，维持对半同种异体胎儿的免疫耐受^［²¹^］。在子痫前期患者中，Treg细胞比例明显降低（约下降30%），且免疫抑制功能受损^［^18-19^，21^］。（3）巨噬细胞：scRNA-seq鉴定出M1（促炎）和M2（抗炎）等2种极化亚型。正常妊娠以M2型为主（约占70%），通过分泌IL-10维持免疫平衡；病理状态下M1型比例增加，导致炎症微环境形成^［^38-39^］。这些发现为妊娠并发症的免疫治疗提供了潜在靶点，如通过调节uNK/Treg细胞比例或巨噬细胞极化状态来改善母胎界面免疫微环境。

四、现有挑战与限制

1.技术挑战：（1）样本获取与制备：单细胞测序技术对样本质量和制备过程要求严格。在产科研究中，胎盘及母胎界面组织样本的获取面临明显挑战，主要源于以下方面：首先，这些组织具有高度细胞异质性且细胞脆弱，如何在维持细胞活性的同时制备高质量单细胞悬液是技术难点^［⁴⁰^］；其次，细胞分离过程中的细胞损失、活性降低以及样本体积有限等技术限制，进一步增加了数据质量控制的难度^［⁴¹^］。妊娠早期胎盘样本获取尤为困难，而母胎界面不同区域的细胞特征差异显著，使得多组织区域的采样与制备流程更为复杂^［⁴²^］。因此，优化样本处理流程以提高细胞样本的代表性和稳定性，是当前亟待解决的关键问题。（2）数据处理与分析：单细胞测序技术产生的数据具有体量大且复杂的特点，需要强大的生物信息学工具和计算资源支持^［⁴⁰^］。产科研究中不同细胞类型数量差异显著，如何对异质性数据进行有效降噪、聚类及注释以获取可靠生物学结论仍具挑战。现有分析方法在胎盘及母胎界面等复杂组织中的应用面临数据噪音高、高维数据处理困难等问题^［⁴³^］。因此，开发更精准的数据处理算法，在保证数据质量的同时提高分析的可重复性，是推动该技术应用的关键。此外，如何在有限计算资源下高效处理海量数据，也是技术推广的重要瓶颈。

2.伦理问题：单细胞测序技术在产科应用中的伦理问题主要涉及胎儿和胎盘样本的获取与使用。研究过程中需重点考虑以下方面：首先，在保障母婴安全的前提下获取组织样本，并确保样本采集和使用过程中的知情同意及隐私保护^［⁴⁰^］；其次，虽然胎盘样本相对容易获取，但其采集过程涉及母亲的知情同意，需要确保流程的透明性和合规性。在某些文化背景下，相关样本采集可能面临更严格的伦理审查^［⁴⁴^］。此外，胎盘样本可能包含敏感生物学信息，需建立完善的伦理审查和数据保护机制，以保障研究的合法性和受试者权益。

五、未来发展与展望

1.技术进步推动研究突破：单细胞测序技术的革新将为产科研究带来革命性进展。空间转录组学的应用具有特殊价值，该技术不仅能解析单个细胞的基因表达谱，还能保留组织空间信息，为阐明胎盘细胞三维分布与功能关系提供关键工具。值得关注的是，多组学整合技术的成熟使得同步分析基因组、转录组、蛋白组和代谢组数据成为可能，这将显著提升对母胎界面复杂生物学过程的解析能力。这些技术进步有望在分子层面揭示妊娠相关疾病的发生机制，为疾病防控提供新思路。

2.多组学整合研究的应用前景：多组学联合分析将成为未来产科研究的重要方向。单细胞测序与代谢组学的结合在妊娠期糖尿病研究中已显现优势，通过整合转录组和代谢组数据，可系统揭示糖代谢失调的分子网络，识别关键调控节点。这种整合策略不仅能提供更全面的分子特征谱，还能阐明不同组学层面间的交互作用，为子痫前期等妊娠并发症的生物标记物发现和靶点筛选提供新途径。特别值得注意的是，多组学分析将深化对母胎界面免疫-代谢调控网络的认识，为妊娠相关免疫疾病的机制研究开辟新视角。

3.临床转化潜力与挑战：单细胞测序技术为胎盘发育、母胎免疫调控等研究提供了前所未有的分子见解。通过对母胎界面细胞异质性的精细解析，该技术显著提升了我们对正常妊娠和病理状态下组织功能变化的认识。虽然目前仍面临样本制备标准化、数据分析流程优化等挑战，但随着技术创新和跨学科合作深入，单细胞测序技术有望加速向临床应用转化。未来的研究重点应包括建立标准化的技术规范，开发适用于临床的快速分析平台，以及探索其在产前诊断和个体化治疗中的应用价值，最终实现改善母婴健康的目标。

利益冲突所有作者声明不存在利益冲突

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