Science Advances | 光声成像实时观察胎盘发育

文摘 2024-11-07 22:58 澳大利亚

2024 年 3 月 20 日，杜克大学生物医学工程系姚俊杰团队在《Science Advances》 (IF=13.6) 上发表 “Longitudinal intravital imaging of mouse placenta" 文章，研究人员开发了一种可植入小鼠体内的胎盘窗，可对整个孕期的胎盘发育过程进行实时、高分辨率的光声和荧光成像。

在怀孕期间，胎盘是一个关键的器官，为胎儿提供生存所必需的氧气和营养物质。然而，由于胎盘的解剖位置深、移动能力强以及妊娠的微妙性质，研究人员实时获取胎盘详细图像的能力一直受到限制。本研究成功地捕捉到了小鼠胎盘在妊娠过程中的实时、高分辨率图像。他们的技术结合了手术植入窗口和新一代成像系统，为了解健康和病理条件下的胎盘发育提供了重要信息。这项研究发表在《Science Advances》封面上。

胎盘窗口

为了减少移动造成的图像失真并提供稳定性，研究人员设计了一种精确的手术方法来植入胎盘窗。在切开并露出怀孕小鼠的胎盘后，将胎盘小心地缝合到周围的腹部肌肉上，以尽量减少其移动。然后在胎盘上放置一个生物相容性窗口，并将其固定在腹部肌肉上。该窗口包含一层透明膜，允许光和声穿透，可进行多种成像。

胎盘内视窗口

为了以最快的速度提供实时图像，研究人员调整了现有的光声显微镜（PAM）系统，使其速度更快，视野更大。他们的超快光声显微镜技术可以通过闪烁快速光脉冲对胎盘血管和血氧水平进行成像，光脉冲通过窗口与组织相互作用后产生可探测到的超声波。通过这种方法，研究人员可以在整个孕期每天跟踪胎盘的发育情况。

实时、高分辨率观察胎盘

PAM 技术以前曾用于追踪血流。这种方法的原理是向目标组织发射特定波长的脉冲光，目标组织吸收能量后产生超声波，超声波可被传感器检测到。但是，传统的 PAM 技术受到光和声转向速度的限制，大约需要 20-30 分钟才能从产生的超声波中捕捉到静态图像。

为了改进这项技术，作者团队开发了一种超快系统，利用旋转的多边形扫描仪将激光脉冲快速射向靶组织，从而大大减少了生成图像所需的时间。在这项研究中，研究人员对他们的超快 PAM 技术做了进一步修改，增加了平台的稳定性，并使多边形扫描仪的旋转速度更快，能够在几分之一秒内捕捉图像。这些最先进的 PAM 系统使他们能够对小鼠胎盘进行实时监测。

具有大视野的超快速功能性 PAM

研究人员首先想观察胎盘在小鼠健康妊娠过程中的发育情况，妊娠大约持续 20 天。他们在胚胎发育七天后开始监测胎盘，并首次捕捉到了怀孕早期缺氧（低氧）环境的成像证据。这种最初的缺氧状态对胎盘至关重要，因为它能保护胎儿免受氧化应激，并引发新血管的快速发育。利用本研究的成像技术，可以看到在妊娠早期形成了一个非常复杂的微血管网络，以利于日后向胎儿输送氧气和营养物质。

血氧水平在妊娠后三个月急剧上升，然后在动物分娩前再次下降。最初需要缺氧环境，随后血流和氧含量发生精确变化，这展示了胎盘对内部和外部条件的敏感性，以及胎儿最佳发育所需的环境条件的复杂平衡。

在整个健康妊娠期间对小鼠胎盘血液动力学的纵向监测

病理胎盘状况

研究人员接下来想观察病理情况下的胎盘发育，如子痫前期。先兆子痫是一种危及生命的妊娠并发症，其特点是突然出现高血压等症状，如果处理不当，最终可能导致产妇和胎儿死亡。

为了模拟子痫前期，研究人员给怀孕小鼠注射了脂多糖（LPS），这是一种能诱发子痫前期表型的炎症因子。与未接受治疗的怀孕小鼠相比，接受过 LPS 治疗的小鼠在怀孕初期胎盘的氧合水平和血管发育都发生了变化。LPS 处理过的小鼠胎盘没有发育出细小的血管网络，而是发育出异常的、较大的血管，而且胎盘环境的缺氧程度大大降低。作者推测，LPS 处理过的小鼠胎盘没有缺氧触发微血管的发育，这表明子痫前期病理可能始于妊娠早期，但有必要在这一领域开展更多研究。

LPS 诱导模型中胎盘的纵向监测

研究人员还评估了饮酒对胎盘的影响。他们将乙醇注入怀孕后三个月的小鼠腹腔，并观察了 10 分钟内的血流动态。结果令人震惊：胎盘内的血氧含量增加了近 30%，并持续了近三分钟。氧含量的急剧增加改变了胎儿周围微妙的化学环境，还可能危及胎盘内微血管的发育。这些结果凸显了胎盘对外部压力的敏感性，并证明了饮酒如何对胎盘环境产生直接而显著的影响。

饮酒后胎盘血液动力学的快速反应

通过胎盘窗口跟踪病毒转导和化学扩散

作者指出，胎盘植入窗技术可随时扩展到许多其他成像模式，并应用于广泛的胎盘研究和生殖医学领域。此技术能为胎盘生物学提供重要的知识，并为治疗与妊娠有关的疾病（如胎盘早剥、早产、胎儿脑损伤以及酒精和阿片类药物滥用）提供临床见解。

小鼠胎盘在整个孕期的发育情况

原文链接

DOI: 10.1126/sciadv.adk1278

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