Устройство размером с флэш-накопитель содержит два слоя человеческих клеток, которые моделируют интерфейс между матерью и плодом. Микрожидкостные каналы по обе стороны от этих слоев позволяют исследователям изучать, как молекулы транспортируются через этот интерфейс или блокируются им.Подобно другим органам на чипе, например, разработанным для имитации легких, кишечника и глаз, плацента на чипе предоставляет уникальную возможность имитировать и изучать функцию этого человеческого органа способами, которые были невозможны с использованием традиционные инструменты.
Исследование плаценты на чипе, проводимое командой, является частью общенациональных усилий, спонсируемых организацией March of Dimes, по выявлению причин преждевременных родов и способов их предотвращения. Недоношенные дети могут испытывать изнуряющие последствия на всю жизнь, но механизмы, лежащие в основе этого состояния, не совсем понятны, отчасти из-за трудностей экспериментов с неповрежденной живой плацентой человека.
Исследование возглавили Дэн Ху, доцент кафедры биоинженерии в Школе инженерии и прикладных наук Пенна Семьи Уилф, и Кэссиди Бланделл, аспирант лаборатории Ху. Они сотрудничали с Сэмюэлем Парри, профессором акушерства и гинекологии Франклина Пейна; Христос Кутифарис, профессор акушерства и гинекологии Нэнси и Ричарда Вольфсона в Медицинской школе Перельмана Пенна; и Эмили Су, доцент кафедры акушерства и гинекологии Медицинской школы Аншутц Университета Колорадо в Денвере.
Исследование было опубликовано в журнале Lab on a Chip.Плацента-на-чипе исследователей представляет собой прозрачное силиконовое устройство с двумя параллельными микрофлюидными каналами, разделенными пористой мембраной.
На одной стороне этих пор растут клетки трофобласта, которые находятся на границе плаценты с материнской кровью. С другой стороны, эндотелиальные клетки находятся внутри кровеносных сосудов плода. Слои этих двух типов клеток имитируют плацентарный барьер, привратник между системами кровообращения матери и плода.
«Этот барьер, — сказал Бланделл, — опосредует весь транспорт между матерью и плодом во время беременности. Питательные вещества, а также чужеродные агенты, такие как вирусы, должны быть либо транспортированы этим барьером, либо остановлены».«Одна из наиболее важных функций плацентарного барьера — транспортировка, — сказал Ху, — поэтому для нас важно имитировать эту функцию».В 2013 году Ху и его сотрудники из Сеульского национального университета провели предварительное исследование по созданию микрофлюидного устройства для культивирования клеток трофобласта и эндотелиальных клеток плода.
Однако этой модели не хватало способности формировать физиологическую ткань плаценты и точно моделировать транспортную функцию плацентарного барьера.В своем новом исследовании исследователи из Пенсильвании продемонстрировали, что два слоя клеток продолжают расти и развиваться внутри чипа, претерпевая процесс, известный как «синцитиализация».
«Клетки плаценты меняются в течение беременности», — сказал Ху. «Во время беременности клетки трофобласта плаценты фактически сливаются друг с другом, образуя интересную ткань, называемую синцитий. Барьер также становится тоньше по мере развития беременности, и с нашей новой моделью мы можем воспроизвести это изменение.«Этот процесс очень важен, потому что он влияет на плацентарный транспорт и был критическим аспектом, не представленным в нашей предыдущей модели».
Команда Пенна подтвердила новую модель, показав, что скорости переноса глюкозы через этот синцитиализированный барьер совпадают со скоростями, измеренными в исследованиях перфузии донорской плаценты человека.Несмотря на то, что донорская плацентарная ткань полезна для обеспечения такого базового уровня, она может быть проблематичной для проведения многих видов исследований, необходимых для полного понимания структуры и функции плаценты, особенно в том, что касается заболеваний и расстройств.«Плацента, возможно, является наименее изученным органом человеческого тела, — сказал Ху, — и многое еще предстоит узнать о том, как транспорт между матерью и плодом работает на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях.
Изолированный целый орган — не идеальный вариант. платформа для этих типов механистических исследований ".«Помимо нехватки образцов, — сказал Бланделл, — существует ограниченный срок жизни ткани — всего несколько часов после доставки, и система, которая используется для перфузии ткани и проведения исследований транспорта, сложна».Хотя плацента-на-чипе все еще находится на ранних стадиях тестирования, исследователи из Пенсильвании и других стран уже планируют использовать ее в исследованиях преждевременных родов.«Эти усилия, — сказал Парри, — были частью гораздо более крупного Исследовательского центра недоношенных здесь, в Пенсильвании, одного из пяти центров по всей стране, финансируемых March of Dimes для изучения причин преждевременных родов.
Уровень преждевременных родов составляет около От 10 до 11 процентов всех беременностей. Этот показатель не снижается, и меры по предотвращению преждевременных родов в основном были безуспешными ».
В рамках гранта в размере 10 миллионов долларов от March of Dimes, который основал Центр, Парри и его коллеги исследуют метаболические изменения, которые могут быть связаны с преждевременными родами, с использованием линий плацентарных клеток in vitro и плацентарной ткани ex vivo. Грант также поддержал их работу с лабораторией Huh по разработке новых инструментов, которые могли бы смоделировать плацентарную дисфункцию, связанную с преждевременными родами, и предоставить информацию для таких исследований.«С момента публикации этой статьи, — сказал Сэмюэл Парри, — мы связались с главными исследователями на других четырех участках March of Dimes и предложили предоставить им эту модель для использования в их экспериментах».«В конце концов, — сказал Ху, — мы надеемся использовать уникальные возможности нашей модели, чтобы продемонстрировать потенциал технологии« орган на чипе »как новой стратегии для инноваций в фундаментальных и трансляционных исследованиях в репродуктивной биологии и медицине».
Исследование было поддержано Исследовательским центром недоношенных детей March of Dimes при Пенсильванском университете и наградой за новаторство 1DP2HL127720-01 директора Национального института здравоохранения.Также участие в исследовании внесли члены лаборатории Huh Эмили Тесс и Ариана Шанцер.