Neuartiges mikrofluidisches Gerät ahmt den Nährstoffaustausch zwischen Mutter und Fötus nach, der von Plazenta-Malaria betroffen ist

Plazenta-Malaria als Folge einer Infektion mit Plasmodium falciparum kann zu schweren Komplikationen für Mutter und Kind führen. Jedes Jahr verursacht Plazenta-Malaria fast 200.000 Todesfälle bei Neugeborenen, hauptsächlich aufgrund eines niedrigen Geburtsgewichts, sowie 10.000 Todesfälle bei Müttern. Plazenta-Malaria entsteht durch mit Parasiten infizierte rote Blutkörperchen, die in baumartigen Aststrukturen stecken bleiben, aus denen die Plazenta besteht.
Die Forschung an der menschlichen Plazenta ist experimentell herausfordernd aufgrund ethischer Erwägungen und der Unzugänglichkeit der lebenden Organe. Die Anatomie der menschlichen Plazenta und die Architektur der mütterlich-fötalen Schnittstelle, wie z. B. zwischen mütterlichem und fötalem Blut, sind komplex und können mit modernen In-vitro-Modellen nicht ohne weiteres in ihrer Gesamtheit rekonstruiert werden.
Forscher des College of Engineering and Computer Science der Florida Atlantic University und des Schmidt College of Medicine haben ein Placenta-on-a-Chip-Modell entwickelt, das den Nährstoffaustausch zwischen dem Fötus und der Mutter unter dem Einfluss von Plazenta-Malaria nachahmt. Dieses neuartige 3D-Modell kombiniert Mikrobiologie mit technischen Technologien und verwendet einen einzigen mikrofluidischen Chip, um die komplizierten Prozesse zu untersuchen, die in einer mit Malaria infizierten Plazenta sowie anderen plazentabedingten Krankheiten und Pathologien stattfinden.
Placenta-on-a-Chip simuliert den Blutfluss und ahmt die Mikroumgebung der malariainfizierten Plazenta in diesem Strömungszustand nach. Mit dieser Methode untersuchen die Forscher genau den Prozess, der stattfindet, wenn die infizierten roten Blutkörperchen mit den Gefäßen der Plazenta interagieren. Dieses Mikrogerät ermöglicht es ihnen, die Glukosediffusion durch die modellierte Plazentaschranke und die Auswirkungen von Blut zu messen, das mit einer P. falciparum-Linie infiziert ist, die an der Oberfläche der Plazenta haften kann, indem sie das Plazenta-exprimierte Molekül namens CSA verwendet.
Für die Studie wurden Trophoblasten oder Außenschichtzellen der Plazenta und Endothelzellen der menschlichen Nabelvene auf den gegenüberliegenden Seiten eines extrazellulären Matrixgels in einem kompartimentierten mikrofluidischen System kultiviert, wodurch eine physiologische Barriere zwischen der gleichläufigen röhrenförmigen Struktur gebildet wurde, um eine vereinfachte nachzuahmen Mutter-Fetal-Schnittstelle in Plazentazotten.
Die in Scientific Reports veröffentlichten Ergebnisse zeigten, dass CSA-bindende infizierte Erythrozyten der simulierten Plazentabarriere für die Glukoseperfusion Resistenz hinzufügten und den Glukosetransfer über diese Barriere verringerten. Der Vergleich zwischen der Glukosetransportrate durch die Plazentaschranke unter Bedingungen, wenn nicht infiziertes oder mit P. falciparum infiziertes Blut auf Zellen der äußeren Schicht fließt, hilft, diesen wichtigen Aspekt der Plazenta-Malaria-Pathologie besser zu verstehen und könnte möglicherweise als Modell zur Untersuchung von Behandlungsmethoden verwendet werden Plazenta-Malaria.
Trotz Fortschritten in der Biosensorik und Live-Cell-Imaging bleibt die Interpretation des Transports über die Plazentaschranke eine Herausforderung. Dies liegt daran, dass der Nährstofftransport durch die Plazenta ein komplexes Problem ist, das mehrere Zelltypen, mehrschichtige Strukturen sowie die Kopplung zwischen Zellverbrauch und Diffusion über die Plazentaschranke hinweg beinhaltet. Unsere Technologie unterstützt die Bildung von mikrotechnischen Plazentaschranken und ahmt die Blutzirkulation nach, was alternative Ansätze für Tests und Screening bietet.“
Sarah E. Du, Ph.D., Senior Author und Associate Professor, Department of Ocean and Mechanical Engineering der FAU
Der größte Teil des molekularen Austauschs zwischen mütterlichem und fötalem Blut findet in den verzweigten baumartigen Strukturen statt, die Zottenbäume genannt werden. Da Plazenta-Malaria erst nach Beginn des zweiten Trimesters beginnen kann, wenn sich der intervillöse Raum für infizierte rote Blutkörperchen und weiße Blutkörperchen öffnet, interessierten sich die Forscher für das Plazentamodell der Mutter-Fötus-Schnittstelle, das in der zweiten Hälfte der Schwangerschaft gebildet wird.
„Diese Studie liefert wichtige Informationen zum Austausch von Nährstoffen zwischen Mutter und Fötus, die von Malaria betroffen sind“, sagte Stella Batalama, Ph.D., Dekanin, FAU College of Engineering and Computer Science. „Die Untersuchung des molekularen Transports zwischen mütterlichen und fötalen Kompartimenten kann helfen, einige der pathophysiologischen Mechanismen bei plazentarer Malaria zu verstehen. Wichtig ist, dass dieses neuartige mikrofluidische Gerät, das von unseren Forschern an der Florida Atlantic University entwickelt wurde, als Modell für andere plazentarelevante Krankheiten dienen könnte.“
Co-Autoren der Studie sind Babak Mosavati, Ph.D., ein frischgebackener Absolvent des College of Engineering and Computer Science der FAU; und Andrew Oleinikov, Ph.D., Professor für Biomedizin am FAU Schmidt College of Medicine.
Die Forschung wurde vom Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, dem National Institute of Allergy and Infectious Diseases und der National Science Foundation unterstützt.
Quelle:
Referenz:
Mosavati, B., et al. (2022) 3D-Mikrofluidik-unterstützte Modellierung des Glukosetransports bei Plazenta-Malaria. Wissenschaftliche Berichte. doi.org/10.1038/s41598-022-19422-y.
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