The placenta is the extraembryonic organ that supports the fetus during intrauterine life. Although placental dysfunction results in major disorders of pregnancy with immediate and lifelong consequences for the mother and child, our knowledge of the human placenta is limited owing to a lack of functional experimental models1. After implantation, the trophectoderm of the blastocyst rapidly proliferates and generates the trophoblast, the unique cell type of the placenta. In vivo, proliferative villous cytotrophoblast cells differentiate into two main sub-populations: syncytiotrophoblast, the multinucleated epithelium of the villi responsible for nutrient exchange and hormone production, and extravillous trophoblast cells, which anchor the placenta to the maternal decidua and transform the maternal spiral arteries2. Here we describe the generation of long-term, genetically stable organoid cultures of trophoblast that can differentiate into both syncytiotrophoblast and extravillous trophoblast. We used human leukocyte antigen (HLA) typing to confirm that the organoids were derived from the fetus, and verified their identities against four trophoblast-specific criteria3. The cultures organize into villous-like structures, and we detected the secretion of placental-specific peptides and hormones, including human chorionic gonadotropin (hCG), growth differentiation factor 15 (GDF15) and pregnancy-specific glycoprotein (PSG) by mass spectrometry. The organoids also differentiate into HLA-G+ extravillous trophoblast cells, which vigorously invade in three-dimensional cultures. Analysis of the methylome reveals that the organoids closely resemble normal first trimester placentas. This organoid model will be transformative for studying human placental development and for investigating trophoblast interactions with the local and systemic maternal environment. An in vitro system that generates three-dimensional cultures of extraembryonic fetal trophoblast cells that differentiate into the two main types of trophoblast can be used to study human placental development.

Abstract The endometrium, the mucosal lining of the uterus, undergoes dynamic changes throughout the menstrual cycle in response to ovarian hormones. We have generated single-cell and spatial reference maps of the human uterus and 3D endometrial organoid cultures. We dissect the signalling pathways that determine cell fate of the epithelial lineages in the lumenal and glandular microenvironments. Our benchmark of the endometrial organoids highlights common pathways regulating the differentiation of secretory and ciliated lineage in vivo and in vitro . We show in vitro that downregulation of WNT or NOTCH pathways increases the differentiation efficiency along the secretory and ciliated lineages, respectively. These mechanistic insights provide a platform for future development of treatments for a range of common endometrial disorders including endometriosis and carcinoma.

Summary Fetal growth and development during human pregnancy depends on delivery of adequate maternal oxygen and nutrients to the fetus via the placenta. In humans, the balanced invasion of fetal placental trophoblast cells into the maternal uterine lining, where they interact with uterine natural killer cells (uNK), is thought to be critical for a successful pregnancy but exactly how this influences reproductive outcomes remains undefined. Here, we used our trophoblast organoid model and primary tissue samples to determine how uNK affect placentation. By locating potential interaction axes between primary trophoblast cells and uNK using single cell transcriptomics, and in vitro modelling of these interactions in trophoblast organoids, we identify a uNK-derived cytokine signal that promotes trophoblast differentiation by enhancing epithelial-mesenchymal transition and increasing trophoblast cells at the late stage of the invasive pathway. Moreover, it affects transcriptional programs involved in increasing blood flow, placental access to nutrients, and dampening inflammatory and adaptive immune responses, as well as gene signatures associated with disorders of pregnancy such as pre-eclampsia. Our findings shed new light on how optimal immunological interactions between maternal uNK cells and fetal trophoblast enhance reproductive success.