Science Advances封面文章：第一种能跟踪胎盘发育的可视化方法

杜克大学的内科医生和生物医学工程师已经开发出一种方法来可视化胎盘在小鼠怀孕期间的生长。通过将可植入窗口与超快成像工具相结合，该方法首次提供了跟踪胎盘发育的机会，以更好地了解该器官在怀孕期间的功能。

　　

杜克大学(Duke University)的内科医生和生物医学工程师已经开发出一种方法，可以可视化观察老鼠怀孕期间胎盘的生长情况。通过将可植入窗口与超快成像工具相结合，该方法首次提供了跟踪胎盘发育的机会，以更好地了解该器官在怀孕期间的功能。

这一新视角为研究人员提供了一种精确的方法，可以研究饮酒等生活方式因素和炎症等健康并发症如何影响胎盘，并可能导致不良的妊娠结果。

这项研究发表在3月20日的《科学进展》(Science Advances)封面文章上。

胎盘是一个高度血管化的器官，在母体和胎儿之间形成，提供氧气和营养，同时清除废物。尽管其发展过程中的问题可能会导致双方的一系列健康问题，但人们对它的生长和功能知之甚少，而且当出现问题时，也几乎没有有效的治疗方法。

这在很大程度上是因为该器官已被证明难以研究。研究人员依靠小鼠模型，因为小鼠和人类胎盘具有相似的解剖结构、细胞和分子特征。但即使这样也很棘手，因为这个器官位于腹腔深处，并且不断移动，用传统的工具来成像是一个挑战。

杜克大学生物医学工程副教授Junjie Yao和杜克大学医学院妇产科副教授Liping Feng博士开发的一种新方法，通过创建一个安全的、可植入的窗口，可以直接进入怀孕小鼠的胎盘，从而绕过了这些问题。通过将该工具与成像技术超快功能光声显微镜(UFF-PAM)配对，该团队可以捕获复杂器官的血流和氧代谢的非常详细的图像。

“UFF-PAM可以实现高成像速度，因此图像不会受到呼吸或胚胎或胎盘运动的干扰，”Yao说。“通过将其与可植入窗口一起使用，我们可以看到胎盘是如何生长的，它是如何招募新血管的，它是如何喂养胎儿的，以及在20天的妊娠期内健康和患病状态的其他剧烈变化。”

传统的光声显微镜(PAM)利用光和声音的特性来捕捉全身器官、组织和细胞的详细图像。该技术使用激光将光送入目标组织或细胞。当激光击中电池时，它会立即升温并膨胀，产生一种超声波，并传回传感器。UFF-PAM系统依靠硬件进步和机器学习算法的结合来升级这项技术，使其更快、更敏感。

该团队首先使用他们的技术来研究健康怀孕期间胎盘的血液供应。从胎儿发育的第7天到第19天，研究小组追踪了血管大小、血管密度和氧气水平。

从第7天到第10天，氧气水平略有下降，而血管直径和密度都增加了200%以上。

“我们通常在肿瘤中看到低氧环境，而不是在器官中，但高度血管化的胎盘生长迅速，就像肿瘤一样。低氧环境促使胎盘长出大量的血管，以促进母亲和快速发育的胎儿之间交换营养物质、氧气和废物。随着血管的发育，氧气含量上升。”

接下来，研究小组探讨了不同的生活方式因素和健康并发症如何影响胎盘的发育和胎儿的健康。从饮酒开始，他们将乙醇注入腹腔，并用UFF-PAM观察器官血液动力学的变化。虽然酒精导致总血管密度小幅下降，但胎盘中的氧含量在开始时显著增加。

Feng教授说:“怀孕期间饮酒会影响胎盘和胎儿的发育，但没有人真正知道为什么或如何影响。”“我们的研究提供了证据，证明酒精可以通过改变胎盘的血液流动和氧气代谢来影响胎盘的发育。”

该团队还测试了一个模拟由免疫反应或感染引起的炎症的模型。在怀孕期间，胎盘有助于防止母亲的免疫系统攻击和排斥胎儿。然而，这种免疫屏障可能会被破坏，导致妊娠并发症，如流产、早产、小婴儿和先兆子痫。然而，目前尚不清楚炎症或感染如何影响胎盘血流。在他们的模型中，研究小组观察到炎症反应导致小鼠胎盘中的血管明显减少和缩小。与健康对照组相比，胎盘血管的变化伴随着更高的氧气水平，因此胎盘不会因为缺氧而产生更多的血管。

“在这些小鼠模型中使用这种新型成像工具，我们可以实时提供胎盘结构、血管化和功能的详细信息”。

现在这个团队已经有了一个概念的证明，他们计划研究更具体的情况以及它们是如何影响胎盘的。

“这些工具不仅帮助我们了解妊娠并发症是如何发生的，而且还为药物筛选提供了临床前工具，”Liping Feng说。他们还想测试阿司匹林等常见药物对怀孕的影响。

“我们对怀孕还有很多不了解的地方，尤其是从基础研究的角度来看，我们希望这个工具能帮助我们解决这些长期存在的问题和谜团，这样我们就能让怀孕更安全。”