免疫熒光染色和共聚焦顯微胎盤發(fā)育和病理的分子研究的應(yīng)用

也許沒有一個(gè)器官像胎盤一樣被低估了。它是形成的第一個(gè)器官，但在生命的宏偉計(jì)劃中，它只和我們?cè)谝黄鸷芏痰囊欢螘r(shí)間。它是一個(gè)迷人的器官，母親和胎兒的組成部分，以復(fù)雜的方式相互作用，以確保有效的營(yíng)養(yǎng)交換，以滋養(yǎng)胎兒。對(duì)于這樣一個(gè)短命的器官，它對(duì)我們的健康有著深遠(yuǎn)的、終身的影響。胎盤的缺陷與先天性心臟病、神經(jīng)發(fā)育障礙、甚至代謝性疾病有關(guān)�？紤]到它在促進(jìn)胎兒生長(zhǎng)方面所做的一切，它在出生后經(jīng)常被隨意地扔進(jìn)生物危害箱，這似乎是可笑的。

01
為什么我對(duì)胎盤生物學(xué)感興趣

我記得第一次是在我作為一名醫(yī)學(xué)生在分娩和分娩的時(shí)候?qū)μケP生物學(xué)產(chǎn)生興趣的。觀看活的分娩是我們這些難忘的經(jīng)歷之一，作為醫(yī)學(xué)院的學(xué)生，作為我們訓(xùn)練的一部分，我們有幸體驗(yàn)到這些經(jīng)歷。大多數(shù)懷孕和分娩都是簡(jiǎn)單而順利的，但作為在培訓(xùn)中的醫(yī)生，我們會(huì)了解好的和壞的。我看到的最常見的妊娠并發(fā)癥之一是子癇前期。子癇前期是一種高血壓妊娠疾病，據(jù)估計(jì)將影響全球5-7%的妊娠，每年造成7萬名產(chǎn)婦死亡和50萬例胎兒死亡。這意味著子癇前期影響多達(dá)四分之一的懷孕。子癇前期可引起母體器官損害，胎兒生長(zhǎng)受限，早產(chǎn)等并發(fā)癥。盡管它對(duì)母親和胎兒健康有重大影響，但目前除了分娩嬰兒和胎盤外，沒有治療子癇前期的方法。
02
胎盤是一個(gè)神秘的器官

當(dāng)我問身邊的其他醫(yī)生是什么原因?qū)е伦影B前期病因時(shí)，似乎沒有共識(shí)以外的事實(shí)，先兆子癇是有關(guān)胎盤功能障礙。考慮到先兆子癇是如此普遍，這讓我感到驚訝和不滿意。對(duì)我來說，在一次輪班中看到兩三個(gè)先兆子癇的前期患者并不是什么稀奇的事。為什么一種疾病影響了這么多的婦女，并有潛在的毀滅性并發(fā)癥，怎么會(huì)沒有治療方法，而且人們對(duì)它的了解如此之少？這是我追求工作的動(dòng)機(jī)也是作為我的論文工作的一部分。

03
從分子水平了解胎盤病理和發(fā)育

了解胎盤病理需要了解胎盤的形成和功能。在胎盤發(fā)育的早期，滋養(yǎng)層細(xì)胞必須連接并“替換”母體血管，以便將母體血液輸送到胎盤中進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)交換。滋養(yǎng)層細(xì)胞是如何做到這一點(diǎn)的，這是一個(gè)很大的謎。我們知道滋養(yǎng)層細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞具有許多相同的功能，它們形成血管和攜帶血液。滋養(yǎng)層細(xì)胞甚至表達(dá)許多傳統(tǒng)的內(nèi)皮細(xì)胞分子，如血管內(nèi)皮鈣粘蛋白，一種內(nèi)皮細(xì)胞-細(xì)胞粘附蛋白。這種對(duì)內(nèi)皮特性的適應(yīng)性將滋養(yǎng)細(xì)胞稱為“血管擬態(tài)”。這些內(nèi)皮基因會(huì)幫助滋養(yǎng)細(xì)胞連接母體血管嗎？如果他們失去這種能力會(huì)怎么樣？這是我們?cè)谧罱�發(fā)表在eLife 2上的論文中提出的問題。
04
VE-鈣粘蛋白對(duì)滋養(yǎng)層功能的影響

我們測(cè)試了VE-鈣粘蛋白的作用，通過創(chuàng)建一個(gè)小鼠模型，我們刪除VE-cadherin從滋養(yǎng)層細(xì)胞。這導(dǎo)致了一些事情。首先，胚胎生長(zhǎng)受到限制，胎盤變小。其次，當(dāng)我們通過組織學(xué)染色觀察這些胎盤時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)胎盤中的母血明顯減少。這些結(jié)果表明，滋養(yǎng)層細(xì)胞如何連接到母體血管可能存在問題。最后，免疫熒光染色顯示滋養(yǎng)層細(xì)胞侵入胎盤母體側(cè)和連接母體血管的能力存在明顯缺陷。事實(shí)上，我們看到缺乏VE-cadherin的滋養(yǎng)層細(xì)胞完全無法置換母體血管，限制了母體血液有效地流入胎盤的能力（圖1）。這就解釋了為什么胚胎比預(yù)期的要小得多——它們得不到所需的營(yíng)養(yǎng)。

Figure 1. Immunofluorescence staining of normal (left) and trophoblast VE-cadherin knockout (right) mouse placentas for trophoblasts (Cytokeratin 8, magenta), endothelial cells (Endomucin, green), and red blood cells (TER119, red). Nuclei are stained with DAPI (blue). White arrowheads point to persistence endothelial cells in VE-cadherin knockout placentas that should not be there. Images in bottom row are correlated to white boxes in top row. Image used with permission from Sung et al. 2022, eLife

05
一種新的子癇前期小鼠模型

為了確保我們所看到的是子癇前期的生理反應(yīng)，我們使用超聲波探頭來評(píng)估臍帶血流量。與我們?cè)诨颊咧兴�做的工作類似，我們可以利用各種超聲參數(shù)來計(jì)算臍帶阻力和脈動(dòng)。我們的小鼠表現(xiàn)出增加的臍阻力和脈動(dòng)，類似于先兆子癇患者所顯示的臨床參數(shù)，并表明胎盤中的血流量有問題。我們甚至能夠檢測(cè)到我們的胚胎中的心率減慢，這表明我們的胎兒處于危險(xiǎn)之中。這些結(jié)果是一致的先兆子癇樣現(xiàn)象，并建議VE-鈣粘蛋白和一般血管擬態(tài)可能在滋養(yǎng)細(xì)胞和子癇前期發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。
06
未來的發(fā)展趨勢(shì)

那么為什么VE-cadherin對(duì)滋養(yǎng)層細(xì)胞特別重要呢？一個(gè)潛在的原因是VE-cadherin可能實(shí)際上介導(dǎo)了滋養(yǎng)細(xì)胞與母體血管內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用。這兩種細(xì)胞類型都表達(dá)VE-cadherin，因此VE-cadherin在滋養(yǎng)細(xì)胞中的表達(dá)實(shí)際上可能幫助它們粘附--并最終取代--母體血管中的內(nèi)皮細(xì)胞。目前，我們正在開發(fā)體外系統(tǒng)來模擬這種相互作用。我們做這件事的方法之一是使用ibidi Culture-Insert。我一直在一邊培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞，另一邊培養(yǎng)滋養(yǎng)層細(xì)胞，讓它們相互遷移(圖2)。我曾經(jīng)寫過我對(duì)這個(gè)產(chǎn)品的絕對(duì)癡迷，但是培養(yǎng)兩種不同的細(xì)胞類型并觀察它們?nèi)绾蜗嗷プ饔玫哪芰χ皇峭怀隽肆硪粋�(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些類型的實(shí)驗(yàn)對(duì)確定我們的研究結(jié)果所依據(jù)的機(jī)制是絕對(duì)有用的。

Figure 2. Endothelial cells (left) and trophoblast cells (right) were cultured in an ibidi µ-Dish 35 mm, high with a Culture-Insert 2 Well. Cells were allowed to migrate towards each other after removal of the insert prior to fixation, staining, and imaging. Cells were stained with an antibody against VE-cadherin (magenta), phalloidin for F-actin (cyan), and Cytokeratin 8 (yellow). Image used with permission from Derek Sung

我們對(duì)胎盤生物學(xué)的研究才剛剛起步。我希望下一代科學(xué)家將對(duì)婦女和生殖健康特別感興趣，因?yàn)檫@是一個(gè)科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究嚴(yán)重不足。我的夢(mèng)想是有一天開一個(gè)自己的實(shí)驗(yàn)室來研究胎盤的發(fā)育，這可能會(huì)為胎盤相關(guān)疾病的患者帶來新的治療方法。

07
 參考文獻(xiàn)
 

• Rana S, Lemoine E, Granger J, Karumanchi SA. Preeclampsia: Pathophysiology, Challenges, and Perspectives. Circ Res . 2019;124(7):1094-1112. doi:10.1161/CIRCRESAHA.118.313276

   

• Sung DC, Chen X, Chen M, et al. VE-cadherin enables trophoblast endovascular invasion and spiral artery remodeling during placental development. Elife . 2022:1-17

 

 

Derek Sung — MD/PhD Student

Derek是賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)博士/博士生，從事發(fā)育和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的工作。他的研究探討血管發(fā)育的機(jī)制，他在免疫熒光染色和共聚焦顯微鏡方面有專長(zhǎng)。

 

 

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