Neuartige Bildgebungsplattform ermöglicht die Untersuchung der Plazentaentwicklung

Ärzte und Biomedizintechniker der Duke University, USA, haben eine Methode entwickelt, mit der das Wachstum der Plazenta während der Schwangerschaft einer Maus sichtbar gemacht werden kann.

Durch die Verbindung eines implantierbaren Fensters mit ultraschnellen Bildgebungsinstrumenten bietet der Ansatz erstmals die Möglichkeit, die Entwicklung der Plazenta zu verfolgen, um besser zu verstehen, wie das Organ während der Schwangerschaft funktioniert. Diese neue Perspektive ermöglicht es den Forschern, genau zu untersuchen, wie sich Lebensstilfaktoren wie Alkoholkonsum und gesundheitliche Komplikationen wie Entzündungen auf die Plazenta auswirken und möglicherweise zu ungünstigen Schwangerschaftsergebnissen führen können. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Obwohl Probleme in der Entwicklung der Plazenta zu einer Reihe von Gesundheitsproblemen für beide Seiten führen können, ist wenig darüber bekannt, wie sie wächst und funktioniert, und es gibt nur wenige wirksame Behandlungen für den Fall, dass etwas schief läuft. Dies liegt zum großen Teil daran, dass sich das Organ nur schwer untersuchen lässt. Die Forscher stützen sich auf Mausmodelle, da die Plazenta von Maus und Mensch ähnliche anatomische, zelluläre und molekulare Merkmale aufweisen. Aber selbst das ist schwierig, da sich das Organ tief in der Bauchhöhle befindet und ständig in Bewegung ist, so dass es mit herkömmlichen Instrumenten nur schwer abgebildet werden kann.

Studie bietet neuen Ansatz: photo-akustische Mikroskopie

Ein neuer Ansatz, der von Junjie Yao, außerordentlicher Professor für biomedizinische Technik an der Duke University School of Medicine, und Liping Feng, außerordentlicher Professor für Geburtshilfe und Gynäkologie an der Duke University School of Medicine, entwickelt wurde, umgeht diese Probleme, indem er ein sicheres, implantierbares Fenster schafft, das einen direkten Zugang zur Plazenta schwangerer Mäuse ermöglicht. Durch die Kombination dieses Instruments mit dem bildgebenden Verfahren der ultraschnellen funktionellen photo-akustischen Mikroskopie (UFF-PAM) kann das Team sehr detaillierte Bilder des Blutflusses und des Sauerstoffstoffwechsels des komplexen Organs aufnehmen.

„UFF-PAM kann eine hohe Bildgebungsgeschwindigkeit erreichen, so dass die Bilder nicht durch die Atmung oder die Bewegungen des Embryos oder der Plazenta gestört werden“, so Yao. „Wenn wir es mit dem implantierbaren Fenster verwenden, können wir sehen, wie die Plazenta wächst, wie sie neue Blutgefäße bildet, wie sie den Fötus ernährt und andere drastische Veränderungen sowohl im gesunden als auch im kranken Zustand während der 20-tägigen Schwangerschaftsperiode“, fügt er hinzu.

Die herkömmliche photoakustische Mikroskopie (PAM) nutzt die Eigenschaften von Licht und Schall, um detaillierte Bilder von Organen, Geweben und Zellen im gesamten Körper aufzunehmen. Bei dieser Technik wird ein Laser eingesetzt, um Licht in ein bestimmtes Gewebe oder eine Zelle zu senden. Wenn der Laser auf die Zelle trifft, erhitzt sich diese und dehnt sich sofort aus, wodurch eine Ultraschallwelle entsteht, die an einen Sensor weitergeleitet wird. Das UFF-PAM-System basiert auf einer Kombination von Hardware-Fortschritten und Algorithmen des maschinellen Lernens, um diese Technik zu verbessern und sie schneller und empfindlicher zu machen.

Das Team setzte seine Technik zunächst zur Untersuchung der Blutversorgung der Plazenta während einer gesunden Schwangerschaft ein. Vom siebten bis zum 19. Tag der fötalen Entwicklung verfolgte das Team die Größe der Blutgefäße, die Gefäßdichte und den Sauerstoffgehalt. Der Sauerstoffgehalt sank vom siebten bis zum zehnten Tag leicht ab, während sowohl der Durchmesser als auch die Dichte der Blutgefäße um mehr als 200 Prozent zunahmen.

„Normalerweise sehen wir diese sauerstoffarme Umgebung in Tumoren, nicht in Organen“, kommentiert Yao. „Aber die hochvaskuläre Plazenta wächst schnell, genau wie die Tumore. Die sauerstoffarme Umgebung veranlasst die Plazenta, viele Gefäße zu bilden, um den Austausch von Nährstoffen, Sauerstoff und Abfallprodukten zwischen der Mutter und dem sich schnell entwickelnden Fötus zu erleichtern. Während sich die Gefäße entwickeln, steigt der Sauerstoffgehalt an.“

Anschließend untersuchte das Team, wie sich verschiedene Lebensstilfaktoren und gesundheitliche Komplikationen auf die Entwicklung der Plazenta und die Gesundheit des Fötus auswirken. Sie begannen mit dem Alkoholkonsum, indem sie Ethanol in die Bauchhöhle injizierten und mit UFF-PAM die Veränderungen in der Blutdynamik des Organs beobachteten. Während der Alkohol eine geringe Abnahme der gesamten Blutgefäßdichte verursachte, kam es zunächst zu einem deutlichen Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Plazenta. „Alkoholkonsum während der Schwangerschaft kann sich auf die sich entwickelnde Plazenta und den Fötus auswirken, aber niemand weiß wirklich, warum oder wie“, erklärt Feng. „Unsere Studie liefert den Beweis, dass Alkohol die Entwicklung der Plazenta beeinflussen kann, indem er ihren Blutfluss und Sauerstoffstoffwechsel verändert.

Auch Immunreaktion getestet

Das Team testete auch ein Modell, das eine durch eine Immunreaktion oder eine Infektion verursachte Entzündung nachahmt. Während der Schwangerschaft trägt die Plazenta dazu bei, dass das Immunsystem der Mutter den Fötus nicht angreift und abstößt. Diese Immunbarriere kann jedoch gestört werden, was zu Schwangerschaftskomplikationen wie Schwangerschaftsverlust, Frühgeburt, kleineren Säuglingen und Präeklampsie führen kann. Es ist jedoch nicht klar, wie Entzündungen oder Infektionen den Blutfluss in der Plazenta beeinflussen. In ihrem Modell beobachtete das Team, dass eine Entzündungsreaktion zu deutlich weniger und kleineren Blutgefäßen in der Plazenta der Maus führte. Diese Veränderungen der Plazentagefäße gingen mit höheren Sauerstoffwerten im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe einher, so dass die Plazenta nicht durch die Hypoxie zur Bildung neuer Blutgefäße angeregt wurde. „Mit diesem neuartigen bildgebenden Verfahren können wir in diesen Mausmodellen detaillierte Einblicke in die Struktur, Gefäßbildung und Funktion der Plazenta in Echtzeit gewinnen“, so Feng.

Nachdem das Team nun einen Konzeptnachweis erbracht hat, plant es, spezifischere Bedingungen und deren Auswirkungen auf die Plazenta zu untersuchen. „Diese Instrumente helfen uns nicht nur zu verstehen, wie Schwangerschaftskomplikationen entstehen, sondern bieten auch ein vorklinisches Werkzeug für das Screening von Medikamenten“, so Feng. Sie wollen auch testen, wie sich gängige Medikamente wie Aspirin auf die Schwangerschaft auswirken. „Es gibt so viel, was wir nicht über die Schwangerschaft wissen, vor allem aus Sicht der Grundlagenforschung“, so Yao und fährt fort: „Wir hoffen, dass dieses Instrument uns helfen kann, diese seit langem bestehenden Probleme und Geheimnisse zu lösen, damit wir die Schwangerschaft sicherer machen können.“