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为解决缺乏近生理胎盘模型阻碍对胎盘复杂特征及病原体反应研究的问题，研究人员开展构建含血管内皮的人胎盘类器官微生理系统（MPS）研究。结果显示该系统能模拟早期胎盘特征，增强滋养层抗病毒防御。其为研究胎盘生理及相关疾病提供平台。
胎盘，这个在母婴之间起着关键作用的神秘 “器官”，就像一座坚固的堡垒，不仅是母婴沟通的桥梁，更是胎儿抵御外界有害物质和病原体的 “防护盾”。在怀孕早期，胎盘的多层结构，包括滋养层细胞、基底膜和胎儿毛细血管，共同协作，构建起一个安全的 “小世界”。其中，绒毛细胞滋养层细胞（CTBs）会不断增殖、融合，形成多核的合体滋养层细胞（STBs），它们如同忠诚的 “卫士”，覆盖在胎盘绒毛表面，守护着胎儿；而锚定绒毛的增殖细胞柱则会产生绒毛外滋养层细胞（EVTs），这些细胞如同勇敢的 “开拓者”，侵入母体蜕膜，重塑并连接母体螺旋动脉，为胎儿的茁壮成长提供充足的养分。同时，胎儿毛细血管的形成，更是为胎儿循环系统的完善奠定了坚实基础。
然而，这座 “堡垒” 在面对病毒等病原体时，其免疫防御机制一直是科学家们渴望解开的谜团。虽然已知胎盘具有先天性免疫防御机制，能释放抗病毒干扰素（IFNs）来抵御感染，但由于缺乏能够模拟孕早期母婴界面的仿生三维胎盘模型，科学家们在探索胎盘对先天性病原体的免疫反应以及妊娠疾病发病机制的道路上困难重重。
此前，研究胎盘生物学和病原体感染的方法存在诸多局限。动物模型因物种差异，其胎盘的细胞组成、解剖结构和病理反应与人类胎盘大相径庭；滋养层细胞系虽然易于培养和操作，但存在表型和基因组异常的问题；人胎盘绒毛叶灌注系统只能用于研究足月胎盘，无法反映早期胎盘的发育情况。即使是近年来兴起的滋养层类器官（TOs）模型，虽然在一定程度上重现了早期胎盘绒毛的基本形态和功能，但缺乏血管细胞等其他重要细胞成分和细胞间通讯，难以全面揭示胎盘的奥秘。
为了攻克这些难题，中国科学技术大学生命科学与医学部、中国科学技术大学苏州研究院等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于构建一种含血管内皮的人胎盘类器官微生理系统（MPS），希望借此系统模拟早期胎盘在血管微环境中的特征，为研究胎盘生理和相关疾病开辟新的道路。这项研究成果发表在《Communications Biology》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。他们设计并制造了一种定制的 KabellyInsert?芯片与摇床组成的 MPS 系统，通过 COMSOL Multiphysics? 软件对芯片内的流体动力学进行模拟优化。利用该系统，实现了人滋养层干细胞（hTSCs）在芯片上向胎盘类器官的原位分化和共培养。同时，采用 RNA 测序（RNA-seq）技术分析基因表达变化，运用免疫染色、ELISA、Luminex 等实验方法对细胞和类器官的特征、分泌因子等进行检测和分析。
胎盘类器官 MPS 的设计与操作
研究人员精心打造的 MPS 系统，由定制的 KabellyInsert?芯片和摇床组成。芯片由聚碳酸酯制成，包含多个功能单元，每个单元有独特的孔室和通道结构。在实验过程中，hTSC 聚集体先被嵌入基质胶，放置在芯片上分化为胎盘类器官，之后再接种内皮细胞，模拟胎儿毛细血管。通过摇床实现重力驱动的流体流动，模仿血液再循环，为类器官的生长提供适宜的微环境。经计算流体动力学模拟分析，该系统能在设定流速下实现无泵重力驱动的培养基循环，且中央腔室的模块化设计具有可扩展性，可模拟不同生理场景。
芯片上滋养层干细胞衍生的 3D 胎盘类器官的生成与表征
研究人员通过在凹孔中进行 3D 培养，形成均匀的 hTSC 聚集体，再将其嵌入基质胶并转移到芯片上，在含有 Wnt 诱导剂的分化培养基（TOM）中培养，成功诱导 hTSCs 分化为 3D 胎盘类器官（TOs）。培养 6 天后，TOs 迅速生长，形成具有腔状结构的类器官，且能分泌人绒毛膜促性腺激素（hCG），表达多种滋养层细胞标记物，如 CTB 标记物（GATA3 和 TEAD4）、增殖标记物 Ki67 以及 STB 标记物 CGB 等，其结构类似胎盘绒毛。此外，研究人员还发现，在该系统中，去除 Wnt 诱导剂可促进 EVT 分化，生成富含 EVT 的类器官（EOs），EOs 表现出明显的滋养层细胞向外生长和 HLA-G 表达，且 MMP - 2 水平显著升高。
血管微环境中滋养层类器官的长期存活与分化
为模拟胎盘的血管微环境，研究人员在芯片的多孔膜下接种人脐静脉内皮细胞（HUVECs），形成内皮屏障。实验发现，不同孔径的膜可支持内皮细胞形成紧密连接，且低流速（2 rpm/min）能维持更稳定的血管屏障完整性。将 TOs 与内皮细胞共培养形成 EndTOs 后，EndTOs 在优化的 TOM/EGM2 混合培养基中能长期生长和增殖，形成更大的腔状结构，细胞活力更高，细胞死亡减少。免疫组化分析显示，EndTOs 中增殖性滋养层细胞比例增加，且随着分化进程，CTB 标记物表达增加，STB 标记物表达减少，这表明血管微环境有助于维持滋养层细胞的增殖和分化，促进类器官的长期存活和生长。
血管微环境中富含 EVT 的类器官（EOs）的增强分化
研究人员将内皮细胞与 EOs 共培养形成 EndEOs，发现 EndEOs 中 EVT 标记物 HLA - G 表达显著增加，STB 标记物表达减少，表明内皮细胞的存在增强了 EVT 在 EndEOs 中的诱导分化。同时，免疫染色分析显示，与 HUVECs 单培养相比，TOs 或 EOs 与 HUVECs 共培养时，HUVECs 的生长和分布更为密集，且共培养体系中多种血管生成因子水平上调，这揭示了血管内皮与滋养层细胞在孕早期存在协同的自分泌或旁分泌作用。
EndTOs 的转录谱分析和分泌组分析
通过对 EndTOs 进行转录谱分析，研究人员发现 EndTOs 与 TOs 在转录水平上存在明显差异。EndTOs 中多个干扰素诱导基因，如 IFIT1、IFIT2、IFIT3 和 DDX60 等上调，基因本体（GO）分析和京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析表明，EndTOs 中 I 型干扰素信号通路、先天免疫反应以及与滋养层细胞增殖、分化相关的通路显著富集。此外，分泌组分析显示，EndTOs 分泌的多种免疫因子，包括 I 型和 III 型干扰素等显著增加，这表明血管微环境能促进胎盘类器官的增殖、分化，并增强滋养层细胞的固有免疫功能。
EndTOs 对 ZIKV 感染的易感性
寨卡病毒（ZIKV）是一种常见的垂直传播病原体，会导致胎盘功能障碍和不良妊娠结局。研究人员以 ZIKV 感染 TOs 和 EndTOs，发现 EndTOs 对 ZIKV 的易感性低于 TOs，表现为 EndTOs 中 ZIKV RNA 水平较低，感染细胞数量较少。RNA - seq 分析显示，ZIKV 主要感染共培养体系中的滋养层细胞，而非内皮细胞。此外，ZIKV 感染可诱导 EndTOs 中 I 型和 III 型干扰素表达上调，表明 EndTOs 对病毒感染具有较高的抵抗力。同时，研究还发现 EndTOs 中 TYRO3 和 MERTK 表达降低，提示这些蛋白可能与 EndTOs 对 ZIKV 感染的抗性有关。
EndTOs 对 ZIKV 感染的转录和免疫反应评估
对 ZIKV 感染的 EndTOs 进行 RNA - seq 分析，研究人员发现 ZIKV 感染在 TOs 和 EndTOs 中均诱导了显著的转录变化，但二者的差异表达基因（DEGs）存在明显不同。GO 富集分析表明，ZIKV 感染在 EndTOs 中诱导了广泛的先天免疫反应和抗病毒防御反应，包括 I 型干扰素、RIG - I 样受体和细胞因子介导的信号通路等。与 TOs 相比，EndTOs 在感染后 I 型干扰素信号通路相关基因的诱导表达更强，且分泌的细胞因子如 pentraxin - 3、IFN - λ1、IFN - λ2 和 IFN - β 等显著增加，进一步证实了 EndTOs 在仿生血管微环境中具有高水平的干扰素分泌和增强的先天免疫防御功能，能够抵抗滋养层细胞的病毒感染。
在这项研究中，研究人员成功构建了含血管微环境的人胎盘类器官微生理系统（MPS），该系统能够高度重现人类早期血绒毛膜胎盘在母婴界面的关键特征，并有效模拟病毒感染过程。通过整合 hTSCs 的自我组织能力、多细胞相互作用、动态流体流动和芯片工程技术，创造出了具有复杂功能和结构的胎盘类器官，为研究胎盘生理和相关疾病提供了强有力的工具。
研究发现，血管微环境在促进滋养层细胞活力、增殖和固有免疫功能方面发挥着关键作用，同时也有助于胎盘类器官的长期培养和存活。此外，该研究还揭示了 ZIKV 感染在胎盘类器官中的感染机制和免疫反应，为理解病毒垂直传播和胎盘抗病毒防御提供了新的视角。然而，该模型也存在一定的局限性，如未能完全重现连续的胎盘屏障以及缺乏部分免疫细胞等。未来，通过整合更多生理相关的胎盘免疫细胞和与其他生殖类器官 / 组织的互连，有望进一步完善胎盘模型，更准确地反映母婴界面的生理和病理过程。
总的来说，这项研究成果为人类生殖健康和疾病研究开辟了新的方向，为深入探究胎盘发育、病毒感染机制以及开发相关治疗策略奠定了坚实的基础，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。
