新型成像平台使研究人员能够研究怀孕小鼠的胎盘发育
杜克大学的医生和生物医学工程师开发出了一种可视化小鼠怀孕期间胎盘生长的方法。通过将植入式窗口与超快成像工具相结合，该方法提供了第一个跟踪胎盘发育的机会，以更好地了解该器官在怀孕期间的功能。
这一新视角为研究人员提供了一种精确的方法来研究生活方式因素(如饮酒和炎症等健康并发症)如何影响胎盘并可能导致不良妊娠结局。
该研究作为 3 月 20 日《科学进展》的封面文章发表。
胎盘是在母亲和胎儿之间形成的富含血管的器官，提供氧气和营养，同时清除废物。尽管其发育过程中的问题可能会给双方带来一系列健康问题，但人们对其如何生长和发挥作用知之甚少，而且当出现问题时也几乎没有有效的治疗方法。
这很大程度上是因为该器官已被证明难以研究。研究人员依赖小鼠模型，因为小鼠和人类胎盘具有相似的解剖、细胞和分子特征。但即使这样也很棘手，因为该器官位于腹腔深处并且不断移动，这对使用传统工具进行成像构成了挑战。
杜克大学生物医学工程副教授姚俊杰和杜克大学医学院妇产科副教授冯丽萍博士开发的一种新方法通过创建一个安全的可植入窗口提供直接访问，从而绕过了这些问题进入怀孕小鼠的胎盘。通过将该工具与成像技术超快功能光声显微镜 (UFF-PAM) 结合使用，研究小组可以捕获复杂器官的血流和氧代谢的高度详细图像。
“UFF-PAM 可以实现高成像速度，因此图像不会因呼吸或胚胎或胎盘的运动而受到干扰，”姚说。 “通过将其与植入式窗口一起使用，我们可以看到胎盘如何生长、如何招募新血管、如何喂养胎儿，以及在 20 天的妊娠期内健康和患病状态下的其他剧烈变化。”
传统的光声显微镜 (PAM) 利用光和声的特性来捕获全身器官、组织和细胞的详细图像。该技术使用激光将光发送到目标组织或细胞中。当激光击中细胞时，它会立即升温并膨胀，产生超声波，传回传感器。 UFF-PAM 系统依靠硬件进步和机器学习算法的结合来升级该技术，使其更快、更灵敏。
研究小组首先使用他们的技术来研究健康怀孕期间的胎盘血液供应。从胎儿发育的第 7 天到第 19 天，研究小组跟踪了血管尺寸、血管密度和氧气水平。
从第 7 天到第 10 天，氧气水平略有下降，而血管直径和密度都增加了 200% 以上。
“我们通常在肿瘤中看到低氧环境，而不是在器官中，”姚说。 “但是血管丰富的胎盘生长得很快，就像肿瘤一样。低氧环境会促使胎盘生长出很多血管，以促进母体和快速发育的胎儿之间营养物质、氧气和废物的交换。随着血管的发育，氧气水平会上升。”
接下来，研究小组探讨了不同的生活方式因素和健康并发症如何影响胎盘的发育和胎儿的健康。他们从饮酒开始，将乙醇注入腹腔，并使用UFF-PAM观察器官血液动力学的变化。虽然酒精导致总血管密度略有下降，但胎盘中的氧气水平最初显着增加。
“怀孕期间饮酒会影响正在发育的胎盘和胎儿，但没有人真正知道原因或方式，”冯说。 “我们的研究提供的证据表明，酒精可以通过改变胎盘的血流量和氧代谢来影响胎盘发育。”
该团队还测试了一个模仿免疫反应或感染引起的炎症的模型。在怀孕期间，胎盘有助于防止母亲的免疫系统攻击和排斥胎儿。然而，这种免疫屏障可能会被破坏，导致妊娠并发症，如流产、早产、婴儿较小和先兆子痫。然而，尚不清楚炎症或感染如何影响胎盘血流。在他们的模型中，研究小组观察到炎症反应导致小鼠胎盘中的血管显着减少和变小。与健康对照组相比，这些胎盘脉管系统的变化伴随着更高的氧气水平，因此胎盘不会因缺氧而产生更多的血管。
“在这些小鼠模型中使用这种新颖的成像工具，我们可以实时提供对胎盘结构、血管化和功能的详细了解，”冯说。
现在该团队已经有了概念验证，他们计划研究更具体的条件以及它们如何影响胎盘。
“这些工具不仅帮助我们了解妊娠并发症是如何发生的，而且还为药物筛选提供了临床前工具，”冯说。他们还想测试阿司匹林等常见药物如何影响怀孕。
“关于怀孕，我们还有很多不了解的地方，特别是从基础研究的角度来看，”姚说。 “我们希望这个工具能够帮助我们解决这些长期存在的问题和谜团，从而使怀孕更安全。”
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