ibidi Culture-Inserts的应用|胎盘发育和病理分子的研究

    胎盘：短暂却美好的一段时光

    DerekSung,宾夕法尼亚大学

    也许没有那个器官会像胎盘一样被低估的。它是形成的第一个器官，但在生命的宏大计划中，它只在我们身边停留很短的一段时光，这是一个迷人的器官，母体和胎儿的共通部分，以复杂的方式互动，并确保有效的营养交换，以滋养胎儿。对于这样一个短存的器官，却对我们的健康有着深远的、终身的影响。胎盘缺陷与先天性心脏缺陷、神经发育障碍，甚至代谢疾病有关。它在促进胎儿生长方面所起的作用如此重大，却在出生后经常被随意扔进生物危害箱，想象一下这是否很可笑？

    为什么我对胎盘生物学感兴趣

    我第一次对胎盘生物学产生兴趣是在我的临床实习期间，当时我还是一名医科学生，在产房工作。作为医学专业的学生，作为我们培训的一部分，观看现场分娩是我们最难忘的经历之一。大多数的怀孕和分娩都不复杂，进展顺利，但作为实习医生，我们需要了解到好的和坏的。我看到的最常见的妊娠并发症之一是先兆子痫。先兆子痫是一种高血压妊娠疾病，据估计影响全球5-7%的妊娠，每年导致7万名产妇和50万名胎儿的死亡。这意味着先兆子痫影响多达十四分之一的妊娠。先兆子痫可导致母体器官损伤、胎儿生长受限、早产等并发症。尽管它对母体和胎儿健康有重大影响，但目前除了分娩婴儿和胎盘外，还没有治愈先兆子痫的方法。

    胎盘是一个神秘的器官

    当我询问身边的其他医生是什么导致先兆子痫时，除了先兆子痫与胎盘功能障碍有关这一事实之外，似乎没有任何共识。考虑到先兆子痫是如此普遍，这让我感到惊讶和不满。对我而言，在一次轮班现场中看到两到三个先兆子痫患者并不件稀奇的事。为什么一种影响如此之多女性并具有潜在毁灭性并发症的疾病却没有治疗方法，而且人们对其了解如此之少？这就是我在论文中研究胎盘如何发育的动机。

    从分子水平了解胎盘病理和发育

    深入了解胎盘病理需要了解胎盘的形成和功能。在胎盘发育早期，称为滋养层的特殊胎儿细胞必须连接并“替代”母体血管，以便将母体血液输送到胎盘中进行营养交换。滋养层究竟是如何做到这一点的，这是一个很大的谜团。我们知道滋养层细胞与内皮细胞具有许多相同的功能，它们形成血管并运送血液。滋养细胞甚至表达许多传统的内皮细胞分子，如血管内皮粘蛋白(VE-cadherin)，一种内皮细胞-细胞粘附蛋白。这种内皮特性的适应被称为滋养层细胞正在经历“血管拟态”。这些内皮基因能帮助滋养细胞连接到母体血管吗?如果他们失去了这种能力会怎样?这是我们最近发表在《eLife2》上的论文中提出的问题。

    VE钙粘蛋白对滋养细胞的影响

    我们通过建立一个小鼠模型来测试血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)的作用，在该模型中，我们从滋养层细胞中删除了血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)。这导致了一些问题。首先，胚胎生长受限，胎盘较小。其次，当我们通过组织学染色观察这些胎盘时，我们发现胎盘中的母体血明显减少。这些结果表明，滋养层细胞与母体血管的连接可能存在问题。最后，免疫荧光染色显示滋养层细胞侵入胎盘母侧并连接母血管的能力存在明显的缺陷。事实上，我们发现缺乏血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)的滋养层细胞完全无法置换母体血管，限制了母体血液有效分流到胎盘的能力（图1）。这就解释了为什么胚胎比预期的要小得多——因为它们没有得到所需要的营养。

    图1.免疫荧光染色正常(左)和滋养层VE-cadherin敲除(右)小鼠胎盘滋养层(细胞角蛋白8，品红)、内皮细胞(内啡肽，绿色)和红细胞(TER119，红色)。细胞核用DAPI染色(蓝色)。白色箭头指向VE-cadherin敲除胎盘中不应该存在的内皮细胞。底部的图像与顶部白色方框内的图像相关。图片经Sung等人许可使用。2022,eLife

    一种新的先兆子痫小鼠模型

    为了确保我们所看到的是子痫前期发生的生理反应，我们使用了超声波探头来评估通过脐带的血流量。与我们在患者身上所做的类似，我们可以使用各种超声参数来计算脐带阻力和搏动。我们的小鼠表现出脐带阻力和搏动增加，这与子痫前期患者的临床参数相似，并表明胎盘中的血流量有问题。我们甚至能够检测到胚胎的心率减慢，这表明我们的胚胎处于困境。这些发现与子痫前期样现象一致，并提示血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)和血管拟态可能在滋养层细胞和子痫前期发病机制中发挥重要的作用。

    未来的发展趋势

    那么，为什么血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)对滋养层细胞特别重要呢？一个潜在的原因是血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)实际上可能介导了滋养细胞与母体血管内皮细胞的相互作用。这两种细胞类型都表达血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)，因此滋养细胞中血管内皮钙粘蛋白(VE-cadherin)的表达实际上可能有助于它们粘附在母体血管中的内皮细胞上，并最终取代它们。目前，我们正在开发体外系统来模拟这种相互作用。我们这样做的方法之一是使用ibidiCulture-Inserts/ibidi插件。我一直在一边培养内皮细胞，一边培养滋养层细胞，让它们相互迁移（图2）。我曾经写过关于我对这款产品的绝对痴迷（点击这里阅读：ibidi伤口愈合／细胞划痕实验相比传统方法的5大优势），但培养两种不同的细胞类型并观察它们如何相互作用的能力正好突出了它的另一个独特的优势。此类实验对确定我们的研究结果所依据的机制是绝对有用的。

    图2.内皮细胞(左)和滋养细胞(右)在ibidiµ-Dish预置2孔插件的35mm高壁培养皿（货号：81176）中培养。在固定、染色和成像之前，移除插件后能使细胞相互迁移。用抗VE-cadherin抗体(洋红色)、抗F-actin抗体phalloidin(青色)和细胞角蛋白8抗体(黄色)染色。图片经DerekSung许可使用。

    ibidiµ-Dish35mm,highwithaCulture-Insert2Well

    我们对胎盘生物学的研究才刚刚起步，我们希望下一代科学家能对妇女和生殖健康特别感兴趣，因为这是一个严重缺乏研究的科学和医学领域。我的梦想是有一天能开一个我自己的实验室来研究胎盘发育，这可能会为胎盘相关疾病患者带来新的治疗方法。

    参考文献

    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是宾夕法尼亚大学医学院的一名医学博士/博士生，专注发育和细胞生物学领域的工作。他研究探讨血管发育的机制，在免疫荧光染色和共焦显微成像方面有专长。

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