Abstract The relationship between the human placenta, the extraembryonic organ built by the fetus, and the decidua, the mucosal layer of the uterus, is essential to nurture and protect the fetus during pregnancy. Extravillous trophoblast cells (EVTs) anchor the placenta and infiltrate the decidua, transforming the maternal arteries into high conductance vessels. Defects in trophoblast invasion and arterial transformation established during early pregnancy underlie common pregnancy disorders such as pre-eclampsia. Despite its importance, how EVT invasion is regulated in humans is still unclear due the inaccessibility of the entire pregnant uterus and, until recently, a lack of reliable in vitro models. Here, we have generated a spatially-resolved multiomics single-cell atlas of the entire maternal-fetal interface including the myometrium, allowing us to resolve the full trajectory of trophoblast differentiation. We have used this cellular map to elucidate the main regulatory programmes mediating EVT invasion and show that they are preserved in trophoblast organoids. We define the transcriptomes of the final cell states of trophoblast invasion: placental bed giant cells (fused multinucleated EVTs) and endovascular EVTs (which form plugs inside the maternal arteries). We reconstruct the cell-cell communication events contributing to trophoblast invasion and GC formation, and define the dual role of interstitial EVTs and endovascular EVTs in mediating arterial transformation during early pregnancy. Together, our data provides a comprehensive analysis of postimplantation trophoblast differentiation in humans that can be used as a blueprint to design accurate multilineage placental in vitro models.

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.