Model de placentă pe cip pentru studierea toxinelor de mediu
Expunerea la metale toxice precum cadmiul a fost asociată cu avort spontan, naștere prematură și greutate mică la naștere. Pentru că aceste efecte sunt greu și etic delicat de studiat direct la femeile însărcinate, modul în care expunerile afectează sarcina a rămas slab înțeles. Un model de placentă pe cip dezvoltat de Dan Huh, profesor de bioinginerie, și colegii săi oferă o cale de investigare folosind celule umane vii.
Într-un studiu publicat în Nature Biomedical Engineering, echipa condusă de Huh, împreună cu colaboratori de la Princeton, Sogang University din Seul și Rutgers University, a folosit modelul pentru a examina modul în care cadmiul, prezent în alimente, apa potabilă și fumul de tutun, afectează capacitatea placentei de a susține fătul. Experimentele au arătat că, la niveluri relativ scăzute, care nu ucid celulele, cadmiul poate afecta placenta. Cercetătorii au identificat și o proteină protectoare și modificări metabolice ce pot oferi indicii despre leziunile legate de expunere.
Reproducerea interfeței mamă-făt
În placentă, sângele matern și cel fetal circulă în compartimente separate și schimbă nutrienți printr-un strat subțire de țesut. Dispozitivul microfluidic recreatează aceste caracteristici folosind celule placentare umane izolate din placente donate. Pe o parte, un strat de celule este expus unui fluid care simulează sângele matern; pe cealaltă, o structură tridimensională conține o rețea de vase fetale într-un schelet de hidrogel. Modelul include și condiții de oxigen mai apropiate de cele din placentă decât culturile celulare convenționale și permite adăugarea altor tipuri de celule, inclusiv imune placentare.
Cercetările anterioare ale lui Huh s-au concentrat pe trecerea medicamentelor prin bariera placentară. „Noua lucrare extinde capacitățile tehnologiei și ne permite să reproducem interfața mamă-făt cu fidelitate mai mare și să studiem toxinele de mediu în condiții mai realiste”, a declarat Huh. „Putem întreba nu doar dacă cadmiul traversează bariera, ci și cum afectează funcțiile fiziologice ale placentei.”
Celule vii, funcții afectate
Echipa a expus țesutul ingineresc la concentrații diferite de cadmiu și a măsurat viabilitatea celulară, integritatea barierei, producția de hormoni și transferul de nutrienți. La concentrații mari, cadmiul a deteriorat țesutul pe ambele părți. La concentrații mai mici, apropiate de expunerea reală, celulele au rămas în mare parte intacte, dar mai multe funcții esențiale s-au deteriorat.
Cadmiul a redus transferul de glucoză și producția de gonadotropină corionică umană (hCG), hormon important pentru menținerea sarcinii. A crescut permeabilitatea barierei și inflamația. „Rezultatele sugerează că urmărirea doar a morții celulare poate rata efecte importante ale expunerilor de mediu”, a spus Huh. „O placentă poate păstra celule aparent sănătoase devenind mai puțin eficientă în susținerea dezvoltării fetale.”
Echipa a identificat și un mecanism protector al proteinei de rezistență la cancerul mamar (BCRP), un transportor care elimină anumite substanțe din celule. Blocarea proteinei a făcut țesutul mai vulnerabil la cadmiu.
Efecte metabolice pe ambele părți ale barierei
Analiza fluidelor colectate din compartimentele matern și fetal a arătat modificări metabolice pe ambele părți. Pe partea maternă, cadmiul a produs schimbări dependente de doză în căile metabolismului folatului, purinelor, aminoacizilor și energiei, mai pronunțate la niveluri ridicate. Compartimentul fetal a arătat un tipar diferit: modificări au apărut chiar și la cea mai mică expunere testată, inclusiv creșteri ale guanozinei și sorbitolului și scăderi ale altor metaboliți. O proporție mare a metaboliților modificați au fost acizi grași, esențiali pentru dezvoltarea creierului fetal.
„Unul dintre cele mai satisfăcătoare aspecte a fost să vedem tehnologia reproducem răspunsuri observate și în țesut placentar uman viu”, a spus Pouria Fattahi, primul autor al studiului, fost cercetător postdoctoral în laboratorul lui Huh și acum profesor asistent la University of Georgia.
Markerii metabolici identificați ar putea ajuta la detectarea leziunilor placentare asociate cu cadmiul, dar nu au fost validați pentru uz clinic și necesită teste suplimentare la oameni. „Placenta nu ar trebui să mai fie o cutie neagră în cercetarea sarcinii”, a spus Fattahi.
Un instrument pentru cercetarea sarcinii
Deocamdată, dispozitivul este o platformă de cercetare preclinicală, nu un instrument de diagnostic sau un tratament. În timp, tehnologia ar putea ajuta la investigarea mecanismelor care leagă expunerile de mediu de complicațiile sarcinii și la generarea de dovezi pentru evaluarea riscurilor în sarcină. „Scopul nostru este să dezvoltăm modele relevante pentru oameni ale proceselor biologice complexe pe care nu le putem studia ușor la persoane”, a spus Huh.
