在人类母胎界面器官芯片系统与离体培养的人类妊娠膜模型中，对B组链球菌感染产生的细胞因子反应的比较

《Infection and Immunity》：Comparison of cytokine responses to group B Streptococcus infection in a human maternal-fetal interface organ-on-a-chip system and ex vivo culture model of human gestational membranes

GBS感染引发母胎界面免疫反应，本研究构建双室器官芯片模型及体外妊娠膜模型，验证二者在GRO-α、IL-6等23种细胞因子上的响应一致性，发现器官芯片母室显著上调IL-2、IFN-γ等15种因子，而妊娠膜特异性增加IL-15、M-CSF等。模型成功区分母胎免疫差异，为GBS相关早产机制及精准疗法提供新工具。

　　### 一、研究背景与意义

妊娠不良结局是全球范围内的重要健康问题之一，涉及多种病理机制，其中细菌感染和随后引发的炎症反应被认为是关键因素。细菌感染可导致宿主在胎盘膜和胎儿组织层面产生一系列免疫和生理变化，从而影响妊娠进程并增加母婴并发症的风险。这些并发症包括早产、胎儿生长受限、胎膜早破、新生儿败血症、新生儿脑膜炎以及严重的妊娠终止等。尽管动物模型在研究妊娠期间的感染和宿主反应方面提供了重要的实验平台，但其存在成本高昂、操作复杂和伦理争议等问题。因此，寻找一种更为高效、可靠且符合伦理的模型对于深入理解妊娠期间感染的免疫机制具有重要意义。

近年来，器官芯片技术作为一种新型的体外模型，为研究宿主-病原体相互作用提供了全新的视角。这种技术能够模拟复杂的组织微环境，允许研究人员在单个设备中同时观察母体和胎儿的反应。本研究通过构建一个双腔室的母胎界面器官芯片模型，结合了外源性人类胎盘膜的培养，探讨了GBS感染对免疫反应的影响。该研究不仅揭示了GBS感染在不同模型中引发的细胞因子和趋化因子的变化，还强调了两种模型在研究妊娠期间感染反应中的互补性。

### 二、研究内容与方法

#### 1. GBS感染的细胞因子和趋化因子反应

本研究使用了两种GBS菌株：GB112（荚膜III型）和GB37（荚膜V型）。这两种菌株在临床中具有不同的致病潜力，GB112是早产相关感染的主要原因之一，而GB37则被认为是新兴的高风险菌株。研究者通过比较两种模型——外源性人类胎盘膜和器官芯片——在GBS感染后的细胞因子和趋化因子表达情况，揭示了感染对免疫反应的影响。

在胎盘膜模型中，GBS感染显著提高了GRO-α、IL-6和MIP-1α的分泌水平，而这些因子在器官芯片的母体和胎儿腔室中也有所增加。此外，GBS感染还导致了其他细胞因子的显著升高，如G-CSF、GM-CSF、MCP-1、FLT3L、IL-1β、IL-8、TNF-α、TNF-β、IL-12p70、IL-17E/IL-25、IL-17F和PDGF-AB/BB。值得注意的是，GBS感染在器官芯片的胎儿腔室中并未引发这些因子的显著变化，而在胎盘膜模型中，这些因子的表达则更为明显。

#### 2. 器官芯片的构建与使用

器官芯片的构建基于双腔室设计，每个腔室模拟了不同的组织环境。母体腔室包含了蜕膜细胞和巨噬细胞，而胎儿腔室则由滋养层细胞和巨噬细胞组成。两个腔室之间通过明胶基质连接，以促进细胞间的旁分泌信号传递。此外，微流控端口被用于引入GBS菌株并收集上清液以进行免疫表型分析。

在构建过程中，首先通过Fusion 360设计模具，然后使用树脂进行3D打印。模具随后被涂覆疏水性聚合物，以减少非特异性吸附。填充PDMS后，通过真空干燥去除气体，并在加热条件下进行固化。最终，将明胶和微生物转谷氨酰胺酶混合后填充至腔室，确保其在37°C下聚合。之后，腔室被填充为聚-L-赖氨酸和胶原蛋白IV溶液，并在37°C下储存至使用。

#### 3. 细胞培养与感染实验

为了模拟母胎界面的细胞环境，研究者选择了多种细胞系：蜕膜细胞（DSC）、滋养层细胞（CTB）和THP-1巨噬细胞。DSC被培养在含10%去酚红的DMEM/F12培养基中，并在特定条件下进行蜕膜化处理。CTB则被培养在含10%去酚红的DMEM培养基中。THP-1细胞则被分化为巨噬细胞样细胞，以模拟母胎界面中的免疫细胞。

在感染实验中，GBS菌株被以特定的感染倍数（MOI）引入到两个腔室中，感染时间控制在1小时以内，以避免细胞死亡。感染后，使用抗生素处理以维持细胞存活。收集上清液后，通过多重细胞因子分析技术进行定量检测。

#### 4. 多重细胞因子分析

多重细胞因子分析是本研究中用于评估感染对细胞因子和趋化因子影响的核心技术。通过这种方法，研究者能够同时检测多种因子的表达水平，包括IL-1α、IL-1β、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12p40、IL-12p70、IL-13、IL-15、IL-17A、IL-17E/IL-25、IL-17F、IL-18、IL-22、IL-27、IFN-α2、IFN-γ、PDGF-AB/BB、RANTES、TGF-α、VEGF-A、GRO-α、MCP-1、MIP-1α、MIP-1β、MCP-3、MDC、MIG、IP-10、GM-CSF、G-CSF、FLT3L、sCD40L、EGF、FGF-2、IL-1RA等。通过统计分析，研究者发现这些因子在不同模型中的表达水平存在显著差异。

### 三、研究结果与分析

#### 1. GBS感染引发的细胞因子和趋化因子变化

GBS感染在胎盘膜和器官芯片模型中均引发了多种细胞因子和趋化因子的显著增加。其中，GRO-α、IL-6和MIP-1α的表达在两种模型中均有所升高，表明这些因子在感染过程中具有重要的免疫调节作用。然而，GBS感染在器官芯片的胎儿腔室中并未显著影响这些因子的表达，而在胎盘膜中则表现出更强烈的反应。

此外，GBS感染在母体腔室中显著增加了G-CSF、GM-CSF、MCP-1、FLT3L、IL-1β、IL-8、TNF-α、TNF-β、IL-12p70、IL-17E/IL-25和IL-17F的分泌水平。这些因子在感染后表现出不同的表达模式，其中一些因子在胎盘膜中显著升高，而在器官芯片的胎儿腔室中则未见明显变化。这种差异可能与不同模型中细胞间的相互作用有关。

#### 2. 不同菌株对细胞因子的影响

研究还发现，GBS菌株类型对细胞因子的诱导效果存在差异。GB112菌株在胎盘膜和器官芯片模型中均能显著诱导多种细胞因子，而GB37菌株则在某些因子的诱导上表现较弱。例如，GB37感染未能显著增加GRO-α、IL-6和MIP-1α的分泌水平，而在胎盘膜中，GB37感染导致了PDGF-AB/BB的显著升高，而GB112感染则未能引发这一变化。这种菌株间的差异可能与它们的毒力因子有关，如荚膜结构和免疫逃逸能力。

#### 3. 母体与胎儿腔室的差异

在器官芯片模型中，母体腔室和胎儿腔室对GBS感染的反应存在显著差异。母体腔室表现出更强的炎症反应，包括多种细胞因子和趋化因子的升高，而胎儿腔室的反应则较为有限。这种差异可能反映了母体和胎儿组织在免疫反应上的不同特性，例如母体组织对炎症的敏感性和胎儿组织的免疫耐受性。

#### 4. 验证模型的可靠性

为了验证器官芯片模型的有效性，研究者将其与外源性胎盘膜模型进行对比。结果显示，两种模型在某些细胞因子和趋化因子的表达上存在显著重叠，如GRO-α、IL-6和MIP-1α。然而，某些因子如IL-15、M-CSF、MCP-3和MIP-1β仅在胎盘膜中被显著诱导，而在器官芯片模型中未见明显变化。这种差异表明，器官芯片模型虽然能够模拟复杂的组织环境，但仍需进一步优化以更好地反映真实情况。

### 四、研究意义与未来展望

本研究通过构建双腔室的母胎界面器官芯片模型，揭示了GBS感染在不同模型中引发的免疫反应。这一发现不仅有助于理解妊娠期间感染的免疫机制，还为开发新的诊断和治疗策略提供了依据。此外，器官芯片模型的构建和验证为未来研究提供了新的工具，尤其是在缺乏新鲜组织样本或面临伦理限制的研究环境中。

未来的研究方向包括扩大GBS菌株的种类，以更全面地了解其对免疫反应的影响。此外，研究者还计划使用胎盘膜作为透析系统的一部分，以更精确地评估胎儿侧的免疫反应。这些改进将进一步提高器官芯片模型的适用性和准确性，为妊娠相关疾病的治疗和预防提供更有力的支持。