模拟孕期人胎盘环境金属暴露的生物工程微生理系统

《Nature Biomedical Engineering》：A bioengineered model of human placental exposure to environmental metals during pregnancy

　　

孕妇暴露于有毒金属是与妊娠并发症相关的环境健康问题。推进对该问题的生物学理解并减轻其不良效应，一直受到妊娠期人类受试者研究伦理限制的挑战。研究人员提出了一种微生理系统（microphysiological system），以实验模拟并研究母体循环中人胎盘暴露于环境金属的过程。利用原代人胎盘细胞在微流控装置中培养，构建了母胎界面（maternal–fetal interface）及其动态组织特异性环境的体外模拟体。以镉（cadmium）作为代表性毒物，研究人员展示了该系统如何用于模拟暴露于含镉母体血液流的人胎盘屏障及其不良生物学反应和组织功能损伤。通过在该模型中对母体至胎儿镉转运（maternal-to-fetal cadmium transport）的机制研究，研究人员揭示了滋养层细胞（trophoblasts）表达的外排膜转运蛋白可能对镉诱导的毒性具有保护作用。最后，研究人员展示了该微生理系统在发现用于检测和监测镉诱导胎盘功能障碍的代谢生物标志物（metabolic biomarkers）方面的潜在应用。

论文解读：基于微生理系统的人胎盘环境金属暴露研究

一、研究背景与意义

孕期暴露于有毒金属（如铅、汞、镉、砷）是公认的环境健康问题，与流产、早产、低出生体重等妊娠并发症密切相关。然而，由于妊娠期人体研究的伦理限制，直接在孕妇中探究其生物学机制十分困难。胎盘作为母体与胎儿之间的界面，兼具物质交换与屏障保护功能，但环境金属如何在胎盘屏障中转运、是否损伤其细胞组分、以及如何损害其物质转运功能，仍缺乏直接的人源实验证据。现有模型如离体胎盘绒毛外植体虽保留组织结构，但依赖新鲜临床标本且难以控制血管灌注；而传统胎盘细胞系培养则无法重现体内结构的复杂性和功能反应。因此，亟需一种能模拟人胎盘母胎界面并对环境金属暴露进行可控研究的实验系统。本研究正是为了填补这一空白而开展。

二、研究内容与总体结论

研究人员开发了一种基于微流控芯片的微生理系统，利用来自足月人胎盘的初次培养细胞（包括细胞滋养层细胞、绒毛微血管内皮细胞、胎盘基质成纤维细胞，以及部分实验中加入的Hofbauer细胞），在聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置中构建出含血管化基质和合体化滋养层屏障的人胎盘组织模型。以镉作为代表性环境金属毒物，研究人员模拟了母体血液流动下的胎盘镉暴露，系统评估了细胞损伤、炎症、屏障功能、葡萄糖转运、外排转运蛋白作用及代谢组学变化，并通过离体绒毛外植体模型进行了验证。研究结论表明，该微生理系统能够重现人胎盘母胎界面的关键生物学特征，可用于揭示环境金属暴露引起的亚临床损伤机制，发现潜在代谢生物标志物，并为评估妊娠期环境毒物风险提供新工具。论文发表在《Nature Biomedical Engineering》。

三、主要关键技术方法

研究人员采用软光刻与3D打印模具制造PDMS微流控装置，其包含母体腔、胎儿腔及半透膜。组织构建时，将胎盘微血管内皮细胞、基质成纤维细胞与纤维蛋白原/凝血酶混合注入胎儿腔形成水凝胶，诱导内皮细胞自组装为三维血管网络；随后在母体腔膜表面接种原代细胞滋养层细胞并促其合体化。所有细胞均在5%氧条件下培养以贴近生理状态。镉暴露通过向母体腔灌流含氯化镉（CdCl₂）的培养基实现。功能评价包括跨上皮电阻（TEER）、荧光示踪剂通透性、乳酸脱氢酶（LDH）释放、caspase活性、ELISA检测细胞因子与β-hCG、RT-PCR基因表达分析；外排转运蛋白研究采用化学抑制剂和慢病毒短发夹RNA（shRNA）敲低BCRP；代谢组学采用液相色谱–质谱联用（LC–MS）非靶向分析。离体验证使用来自人足月胎盘的绒毛外植体，在3D打印灌注装置中培养并同样暴露于镉。原代细胞及胎盘组织来源于Amnion Foundation提供的去标识化研究样本，中性粒细胞来自一位健康供体外周血。

四、研究结果

**生物工程人胎盘组织的设计与构建**。装置包含母体腔和胎儿腔，中间以带1 μm孔的半透膜分隔；胎儿腔中形成血管化结缔组织，母体腔膜上形成滋养层单层，并在培养后期自发合体化，表达β-hCG。

**生物工程人胎盘组织的生成与表征**。自组装血管平均直径约19.9 μm，接近体内胎盘绒毛血管；动态灌注下血管形态更接近微血管。细胞滋养层在流动和5% O₂条件下分化更好，β-hCG分泌显著升高，并上调合体滋养层分化相关基因（如syncytin、hCG、SLC2A1）。屏障完整性（TEER）在流动条件下显著提高；葡萄糖转运率达33.4%，处于人胎盘外植体灌注测定的生理范围内。

**镉毒性建模与分析**。暴露24 h后，0.1–10 μM镉未引起明显细胞死亡，而50–100 μM导致大量膜破损细胞；与Transwell模型相比，本模型对低剂量镉更具抗性。10 μM镉激活caspase-3/7，5 μM时屏障通透性增加但无细胞毒性，1 μM时GLUT1表达减少并显著降低母体至胎儿的葡萄糖转运率，而0.1 μM未见影响。

**镉诱导的炎症与胎盘信号破坏**。5 μM及以上镉显著增加母体腔和胎儿腔的IL-8、IL-6、IL-1β和TNF水平，并激活胎儿血管内皮ICAM-1表达，增加血管通透性。加入Hofbauer细胞后，10 μM镉引起的细胞因子释放进一步升高，并伴随TGF-β1显著增加，同时观察到α-SMA阳性的成纤维细胞活化以及纤连蛋白和I型胶原沉积增加，表明镉可诱导胎盘纤维化反应。RT-PCR显示氧化应激相关基因（metallothionein、GPX1、SOD、CAT、Nrf2、NF-κB）上调，合体滋养层功能基因（hCG、SLC2A1、SLC2A3）下调，ABC转运蛋白基因（ABCG2、ABCB1、ABCC1）上调。

**胎盘外排转运蛋白研究**。抑制BCRP（而非MDR1或MRP）显著增加镉诱导的LDH释放和促炎细胞因子产生。利用shRNA敲低BeWo细胞BCRP后，胎盘屏障完整性受损阈值从5 μM降至1 μM，β-hCG分泌下降，母体及胎儿室损伤和炎症均加重，胎儿血管内皮ICAM-1表达、间质纤维化及脉管系统中性粒细胞黏附均增多，证明滋养层BCRP在抵抗镉毒性中发挥核心保护作用。

**母体室代谢组学分析**。对0、0.1、1、10 μM镉暴露后的母体腔流出液进行LC–MS非靶向代谢组学分析，PCA显示剂量依赖性代谢谱分离。镉暴露上调嘧啶代谢（尿苷）、天冬酰胺/丝氨酸代谢和葡萄糖胺，下调顺乌头酸和叶酸。通路分析提示氨基酸代谢、嘌呤代谢、烟酸代谢等改变。ROC曲线分析鉴定出25个特征代谢物，如降低的乳清酸和润滑醇，升高的L-天冬氨酸等，可作为10 μM镉暴露的预测标志物。

**胎儿室代谢组学分析**。胎儿腔流出液在0.1 μM低剂量即出现明显代谢变化，上调鸟苷和山梨醇，下调花生四烯酸、油酸、谷氨酸等。脂肪酸代谢通路（花生四烯酸和亚油酸）在两个剂量组均显著受扰，而母体室未观察到类似变化，提示脂肪酸代谢紊乱是胎儿侧的特异性反应。不同剂量组的生物标志物重叠很少，表明存在剂量特异的代谢特征。

**离体模型验证**。用人胎盘绒毛外植体在灌注装置中暴露镉，24 h活/死染色显示10 μM镉显著降低组织活力，LDH释放增加4.5倍（与体外模型母体室2.24倍和胎儿室1.51倍增加相符合）；10 μM镉使所有检测细胞因子升高至少3倍。代谢组学显示外植体与体外模型有约48%（母体室）和36%（胎儿室）的差异通路重叠，包括烟酸/烟酰胺代谢、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢、苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成及亚油酸代谢等，证实了体外模型结果的相关性。

五、总结与讨论

本研究建立的微生理系统能够在生理氧和流动条件下，利用原代人胎盘细胞重现母胎界面的多细胞结构、屏障功能和葡萄糖转运能力。与静态Transwell模型相比，该模型更耐受镉的直接细胞毒性，并能在低剂量下检测到亚临床功能障碍，更接近人类实际暴露情景。研究揭示了BCRP在保护胎盘免受镉诱导的组织损伤和炎症中的关键作用，提示外排转运蛋白是胎盘固有防御机制的重要组成部分。代谢组学分析还发现了一系列剂量特异性的候选生物标志物，其中部分与既往报道的妊娠并发症相关代谢改变一致，为理解镉相关妊娠风险提供了机制线索。

研究结论部分可翻译为：本研究表明，微工程细胞培养装置能够重现人胎盘母胎界面的关键特征，并可利用这些系统模拟和探究胎盘屏障对环境毒物的不良生物学反应。该系统不仅有助于揭示低剂量金属暴露引起的细微功能损伤，还为发现胎盘毒性生物标志物和评估生殖毒性风险提供了新平台。未来仍需在更长暴露时间、不同妊娠阶段以及与其他环境毒物的组合研究中进一步验证其应用价值。