Ny mikrofluidisk enhet etterligner næringsutveksling mellom mor og foster påvirket av placental malaria

Placental malaria som følge av Plasmodium falciparum infeksjoner kan føre til alvorlige komplikasjoner for både mor og barn. Hvert år forårsaker placentamalaria nesten 200 000 dødsfall hos nyfødte, hovedsakelig på grunn av lav fødselsvekt, samt 10 000 dødsfall hos mødre. Placental malaria skyldes parasitt-infiserte røde blodlegemer som setter seg fast i trelignende grenstrukturer som utgjør morkaken.

Forskning på menneskelig morkake er eksperimentelt utfordrende på grunn av etiske hensyn og utilgjengelighet for de levende organene. Anatomien til den menneskelige morkaken og arkitekturen til mor-foster-grensesnittet, for eksempel mellom mors- og fosterblod, er kompleks og kan ikke enkelt rekonstrueres i sin helhet ved hjelp av moderne in vitro-modeller.

Forskere fra Florida Atlantic University’s College of Engineering and Computer Science og Schmidt College of Medicine har utviklet en placenta-on-a-chip-modell som etterligner næringsutvekslingen mellom fosteret og moren under påvirkning av placentamalaria. Ved å kombinere mikrobiologi med tekniske teknologier, bruker denne nye 3D-modellen en enkelt mikrofluidisk brikke for å studere de kompliserte prosessene som finner sted i malariainfisert morkake så vel som andre morkakerlaterte sykdommer og patologier.

Placenta-on-a-chip simulerer blodstrøm og etterligner mikromiljøet til den malariainfiserte morkaken i denne strømningstilstanden. Ved å bruke denne metoden undersøker forskere nøye prosessen som finner sted når de infiserte røde blodcellene samhandler med placenta-vaskulaturen. Denne mikroenheten gjør dem i stand til å måle glukosediffusjonen over den modellerte placentabarrieren og effekten av blod infisert med en P. falciparum linje som kan feste seg til overflaten av placenta ved hjelp av placenta-uttrykt molekyl kalt CSA.

For studien ble trofoblaster eller ytre lagceller i placenta og humane navlevene-endotelceller dyrket på motsatte sider av en ekstracellulær matrisegel i et kompartmentalt mikrofluidsystem, og dannet en fysiologisk barriere mellom co-flow tubulære struktur for å etterligne en forenklet mor-føtalt grensesnitt i placentavilli.

Resultater, publisert i Vitenskapelige rapporter, demonstrerte at CSA-bindende infiserte erytrocytter tilførte resistens til den simulerte placentabarrieren for glukoseperfusjon og reduserte glukoseoverføringen over denne barrieren. Sammenligningen mellom glukosetransporthastigheten over placentabarrieren under uinfiserte eller P. falciparum infiserte blodstrømmer på ytre lagceller bidrar til å bedre forstå dette viktige aspektet av placental malariapatologi og kan potensielt brukes som en modell for å studere måter å behandle placental malaria på.

Til tross for fremskritt innen biosensing og levende celleavbildning, er det fortsatt utfordrende å tolke transport over placentabarrieren. Dette er fordi næringsstofftransport i placenta er et komplekst problem som involverer flere celletyper, flerlagsstrukturer, samt kobling mellom celleforbruk og diffusjon over placentabarrieren. Vår teknologi støtter dannelsen av mikrokonstruerte placentabarrierer og etterligner blodsirkulasjonene, noe som gir alternative tilnærminger for testing og screening.”

Sarah E. Du, Ph.D., seniorforfatter og førsteamanuensis, FAUs avdeling for hav- og maskinteknikk

Mesteparten av den molekylære utvekslingen mellom mors- og fosterblod skjer i de forgrenede trelignende strukturene som kalles villøse trær. Fordi placentamalaria kan starte først etter begynnelsen av andre trimester når intervillous plass åpner seg for infiserte røde blodceller og hvite blodceller, var forskerne interessert i placentamodellen av mor-foster-grensesnitt dannet i andre halvdel av svangerskapet.

“Denne studien gir viktig informasjon om utveksling av næringsstoffer mellom mor og foster påvirket av malaria,” sa Stella Batalama, Ph.D., dekan, FAU College of Engineering and Computer Science. “Å studere den molekylære transporten mellom mors- og fosteravdelinger kan bidra til å forstå noen av de patofysiologiske mekanismene i placentamalaria. Viktigere er at denne nye mikrofluidiske enheten utviklet av våre forskere ved Florida Atlantic University kan tjene som en modell for andre placenta-relevante sykdommer.”

Studiemedforfattere er Babak Mosavati, Ph.D., nyutdannet ved FAUs College of Engineering and Computer Science; og Andrew Oleinikov, Ph.D., professor i biomedisinsk vitenskap, FAU Schmidt College of Medicine.

Forskningen ble støttet av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, og National Science Foundation.