ibidi Culture-Inserts的應用|胎盤發(fā)育和病理分子的研究

    胎盤：短暫卻美好的一段時光

    DerekSung,賓夕法尼亞大學

    也許沒有那個器官會像胎盤一樣被低估的。它是形成的第一個器官，但在生命的宏大計劃中，它只在我們身邊停留很短的一段時光，這是一個迷人的器官，母體和胎兒的共通部分，以復雜的方式互動，并確保有效的營養(yǎng)交換，以滋養(yǎng)胎兒。對于這樣一個短存的器官，卻對我們的健康有著深遠的、終身的影響。胎盤缺陷與先天性心臟缺陷、神經(jīng)發(fā)育障礙，甚至代謝疾病有關。它在促進胎兒生長方面所起的作用如此重大，卻在出生后經(jīng)常被隨意扔進生物危害箱，想象一下這是否很可笑？

    為什么我對胎盤生物學感興趣

    我第一次對胎盤生物學產(chǎn)生興趣是在我的臨床實習期間，當時我還是一名醫(yī)科學生，在產(chǎn)房工作。作為醫(yī)學專業(yè)的學生，作為我們培訓的一部分，觀看現(xiàn)場分娩是我們最難忘的經(jīng)歷之一。大多數(shù)的懷孕和分娩都不復雜，進展順利，但作為實習醫(yī)生，我們需要了解到好的和壞的。我看到的最常見的妊娠并發(fā)癥之一是先兆子癇。先兆子癇是一種高血壓妊娠疾病，據(jù)估計影響全球5-7%的妊娠，每年導致7萬名產(chǎn)婦和50萬名胎兒的死亡。這意味著先兆子癇影響多達十四分之一的妊娠。先兆子癇可導致母體器官損傷、胎兒生長受限、早產(chǎn)等并發(fā)癥。盡管它對母體和胎兒健康有重大影響，但目前除了分娩嬰兒和胎盤外，還沒有治愈先兆子癇的方法。

    胎盤是一個神秘的器官

    當我詢問身邊的其他醫(yī)生是什么導致先兆子癇時，除了先兆子癇與胎盤功能障礙有關這一事實之外，似乎沒有任何共識。考慮到先兆子癇是如此普遍，這讓我感到驚訝和不滿。對我而言，在一次輪班現(xiàn)場中看到兩到三個先兆子癇患者并不件稀奇的事。為什么一種影響如此之多女性并具有潛在毀滅性并發(fā)癥的疾病卻沒有治療方法，而且人們對其了解如此之少？這就是我在論文中研究胎盤如何發(fā)育的動機。

    從分子水平了解胎盤病理和發(fā)育

    深入了解胎盤病理需要了解胎盤的形成和功能。在胎盤發(fā)育早期，稱為滋養(yǎng)層的特殊胎兒細胞必須連接并“替代”母體血管，以便將母體血液輸送到胎盤中進行營養(yǎng)交換。滋養(yǎng)層究竟是如何做到這一點的，這是一個很大的謎團。我們知道滋養(yǎng)層細胞與內(nèi)皮細胞具有許多相同的功能，它們形成血管并運送血液。滋養(yǎng)細胞甚至表達許多傳統(tǒng)的內(nèi)皮細胞分子，如血管內(nèi)皮粘蛋白(VE-cadherin)，一種內(nèi)皮細胞-細胞粘附蛋白。這種內(nèi)皮特性的適應被稱為滋養(yǎng)層細胞正在經(jīng)歷“血管擬態(tài)”。這些內(nèi)皮基因能幫助滋養(yǎng)細胞連接到母體血管嗎?如果他們失去了這種能力會怎樣?這是我們最近發(fā)表在《eLife2》上的論文中提出的問題。

    VE鈣粘蛋白對滋養(yǎng)細胞的影響

    我們通過建立一個小鼠模型來測試血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)的作用，在該模型中，我們從滋養(yǎng)層細胞中刪除了血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)。這導致了一些問題。首先，胚胎生長受限，胎盤較小。其次，當我們通過組織學染色觀察這些胎盤時，我們發(fā)現(xiàn)胎盤中的母體血明顯減少。這些結果表明，滋養(yǎng)層細胞與母體血管的連接可能存在問題。最后，免疫熒光染色顯示滋養(yǎng)層細胞侵入胎盤母側并連接母血管的能力存在明顯的缺陷。事實上，我們發(fā)現(xiàn)缺乏血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)的滋養(yǎng)層細胞完全無法置換母體血管，限制了母體血液有效分流到胎盤的能力（圖1）。這就解釋了為什么胚胎比預期的要小得多——因為它們沒有得到所需要的營養(yǎng)。

    圖1.免疫熒光染色正常(左)和滋養(yǎng)層VE-cadherin敲除(右)小鼠胎盤滋養(yǎng)層(細胞角蛋白8，品紅)、內(nèi)皮細胞(內(nèi)啡肽，綠色)和紅細胞(TER119，紅色)。細胞核用DAPI染色(藍色)。白色箭頭指向VE-cadherin敲除胎盤中不應該存在的內(nèi)皮細胞。底部的圖像與頂部白色方框內(nèi)的圖像相關。圖片經(jīng)Sung等人許可使用。2022,eLife

    一種新的先兆子癇小鼠模型

    為了確保我們所看到的是子癇前期發(fā)生的生理反應，我們使用了超聲波探頭來評估通過臍帶的血流量。與我們在患者身上所做的類似，我們可以使用各種超聲參數(shù)來計算臍帶阻力和搏動。我們的小鼠表現(xiàn)出臍帶阻力和搏動增加，這與子癇前期患者的臨床參數(shù)相似，并表明胎盤中的血流量有問題。我們甚至能夠檢測到胚胎的心率減慢，這表明我們的胚胎處于困境。這些發(fā)現(xiàn)與子癇前期樣現(xiàn)象一致，并提示血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)和血管擬態(tài)可能在滋養(yǎng)層細胞和子癇前期發(fā)病機制中發(fā)揮重要的作用。

    未來的發(fā)展趨勢

    那么，為什么血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)對滋養(yǎng)層細胞特別重要呢？一個潛在的原因是血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)實際上可能介導了滋養(yǎng)細胞與母體血管內(nèi)皮細胞的相互作用。這兩種細胞類型都表達血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)，因此滋養(yǎng)細胞中血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-cadherin)的表達實際上可能有助于它們粘附在母體血管中的內(nèi)皮細胞上，并最終取代它們。目前，我們正在開發(fā)體外系統(tǒng)來模擬這種相互作用。我們這樣做的方法之一是使用ibidiCulture-Inserts/ibidi插件。我一直在一邊培養(yǎng)內(nèi)皮細胞，一邊培養(yǎng)滋養(yǎng)層細胞，讓它們相互遷移（圖2）。我曾經(jīng)寫過關于我對這款產(chǎn)品的絕對癡迷（點擊這里閱讀：ibidi傷口愈合／細胞劃痕實驗相比傳統(tǒng)方法的5大優(yōu)勢），但培養(yǎng)兩種不同的細胞類型并觀察它們?nèi)绾蜗嗷プ饔玫哪芰φ猛怀隽怂牧硪粋€獨特的優(yōu)勢。此類實驗對確定我們的研究結果所依據(jù)的機制是絕對有用的。

    圖2.內(nèi)皮細胞(左)和滋養(yǎng)細胞(右)在ibidiμ-Dish預置2孔插件的35mm高壁培養(yǎng)皿（貨號：81176）中培養(yǎng)。在固定、染色和成像之前，移除插件后能使細胞相互遷移。用抗VE-cadherin抗體(洋紅色)、抗F-actin抗體phalloidin(青色)和細胞角蛋白8抗體(黃色)染色。圖片經(jīng)DerekSung許可使用。

    ibidiμ-Dish35mm,highwithaCulture-Insert2Well

    我們對胎盤生物學的研究才剛剛起步，我們希望下一代科學家能對婦女和生殖健康特別感興趣，因為這是一個嚴重缺乏研究的科學和醫(yī)學領域。我的夢想是有一天能開一個我自己的實驗室來研究胎盤發(fā)育，這可能會為胎盤相關疾病患者帶來新的治療方法。

    參考文獻

    RanaS,LemoineE,GrangerJ,KarumanchiSA.Preeclampsia:Pathophysiology,Challenges,andPerspectives.CircRes.2019;124(7):1094-1112.doi:10.1161/CIRCRESAHA.118.313276

    SungDC,ChenX,ChenM,etal.VE-cadherinenablestrophoblastendovascularinvasionandspiralarteryremodelingduringplacentaldevelopment.Elife.2022:1-17.

    DerekSung—MD/PhDStudent

    Derek是賓夕法尼亞大學醫(yī)學院的一名醫(yī)學博士/博士生，專注發(fā)育和細胞生物學領域的工作。他研究探討血管發(fā)育的機制，在免疫熒光染色和共焦顯微成像方面有專長。

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