基质引导滋养层细胞分化：生物打印类器官模型揭示早期胎盘发育新机制

为解决传统Matrigel基质变异性大、重现性差的问题，研究人员开展基于合成PEG基质的生物打印胎盘类器官研究。结果表明生物打印类器官可自发分化为绒毛外滋养细胞（EVT）和合体滋养细胞（STB），且炎症会抑制STB分化。该模型为研究胎盘发育和妊娠疾病提供了高通量、可调控的新平台。

　　

在生命科学领域，类器官技术为研究器官发育和疾病机制提供了强大工具，但传统方法严重依赖动物源基质（如Matrigel），存在批次间变异性大、成分不明确等问题，限制了研究的可重复性和转化潜力。尤其在胎盘研究领域，这些限制更为突出——胎盘作为胎儿发育的关键器官，其功能障碍与先兆子痫、宫内生长受限等多种妊娠并发症密切相关，但现有研究模型无法准确模拟体内微环境。更令人困扰的是，现有滋养层类器官还存在“内外颠倒”的细胞结构问题，即合体滋养细胞（STB）位于类器官内部而非表面，这与胎盘实际结构相反，阻碍了对物质跨胎盘转运、细胞分泌等关键生理过程的研究。

为了解决这些难题，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，他们采用合成聚乙烯二醇（PEG）基质结合液滴式生物打印技术，建立了新型胎盘类器官模型。研究团队使用永生化孕早期滋养层细胞系ACH-3P，通过对比传统Matrigel嵌入法和生物打印法，系统评估了不同基质条件下类器官的形成、分化特性及其对炎症刺激的反应。

研究主要采用了几个关键技术方法：一是基于RASTRUM平台的液滴式生物打印技术，使用1.1 kPa硬度的PEG合成基质；二是单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对6081个细胞进行转录组分析；三是多种功能验证方法包括免疫荧光染色、代谢活性检测（Alamar Blue法）和蛋白质组学分析；此外还建立了类器官悬浮培养系统以逆转细胞极性。

研究结果令人振奋：

在类器官形成与基本特征方面，ACH-3P细胞在Matrigel和生物打印的PEG基质中均能自发形成类器官，且大小无显著差异。但生物打印类器官的细胞存活率较低（48.00% ± 7.2 vs 92.93% ± 1.9），这可能与打印过程中的剪切应力有关。有趣的是，两种类器官的代谢活性相当，且都能分泌β-人绒毛膜促性腺激素（β-hCG）。

单细胞转录组分析揭示了深入的细胞分化轨迹。研究人员鉴定出五种不同的细胞亚群：两个细胞滋养层细胞（CTB）亚群（包括一个金属调节CTB亚群）、两个绒毛外滋养细胞（EVT）亚群和一个合体滋养细胞（STB）亚群。伪时间轨迹分析显示，细胞分化从CTB出发，沿两个主要分支分别向EVT和STB分化。特别值得注意的是，生物打印类器官中EVT比例显著高于Matrigel组（54% vs 33%），而STB比例则较低（3% vs 22%），表明PEG基质更倾向于驱动EVT分化。

与体内胎盘组织的比较显示，生物打印类器官与6周人胎盘组织表现出更强的相似性，尤其是在CTB亚型方面。MetaNeighbor分析证实了类器官细胞与体内对应细胞类型的高度一致性（AUROC > 0.88）。

在功能应用研究方面，研究人员用肿瘤坏死因子α（TNFα）模拟先兆子痫的炎症环境，发现TNFα处理显著降低了类器官的代谢活性和STB数量。令人惊讶的是，临床常用药物阿司匹林和二甲双胍（0.5 mM）均未能挽救这种表型，提示在当前浓度下这些药物可能无法逆转炎症引起的滋养层功能障碍。

类器官极性逆转实验取得了突破性进展。通过将3天大的类器官转移到悬浮培养系统中，研究人员成功实现了细胞极性的逆转——STB位于类器官外层表面，并观察到了类似微绒毛刷状缘的结构，这更准确地模拟了胎盘的体内结构。

研究还探索了滋养层干细胞（TSC）的应用潜力。发现TSC在生物打印的PEG基质中类器官形成效率和生长受到限制，但在富含RGD、YIGSR等粘附肽的“富集”基质中表现改善，表明不同发育阶段的滋养层细胞对基质环境有不同需求。

研究结论与讨论部分强调，这项研究成功开发了一种自动化、高通量、可精确调控的生物打印胎盘类器官平台，克服了传统Matrigel系统的变异性问题。特别重要的是，合成PEG基质能够特异性驱动EVT分化，这为研究胎盘植入异常相关疾病提供了独特优势。类器官极性逆转技术的建立解决了长期存在的“内外颠倒”问题，使STB生理功能研究成为可能。

该模型的建立不仅为胎盘发育基础研究提供了强大工具，更重要的是为妊娠并发症的药物筛选和机制研究提供了可靠平台。研究人员能够同时评估类器官数量、生长、代谢、增殖、存活和分化等多个参数，加速药物发现进程。特别是对先兆子痫等缺乏有效治疗手段的妊娠并发症，这一模型可能成为寻找新疗法的关键工具。

未来研究方向包括进一步优化基质硬度以模拟妊娠不同阶段或疾病状态，整合母体免疫细胞、内皮细胞等建立更复杂的母胎界面模型，以及在生理低氧条件下培养以提高生物学相关性。这项研究标志着胎盘研究进入了可精确调控、高通量的新时代，为理解人类早期发育和妊娠疾病机制开辟了新途径。