环境化学物通过四细胞胎儿-母体界面芯片模型诱发早产炎症反应的机制研究

　　本研究针对环境污染物与早产关联机制不清的问题，利用新型四细胞胎儿-母体界面器官芯片（FMi-OOC）模型，探究了DDT、BPA、PBDE-47和PFOA四种污染物的生物学效应。研究发现这些化合物能通过旁分泌信号传导诱发胎儿膜促炎状态，且羊膜上皮细胞反应最为敏感，为流行病学关联提供了机制证据，推动了胎儿-母体界面研究模型的创新。

　　

在全球范围内，早产（妊娠不足37周分娩）是导致新生儿死亡和儿童期健康问题的主要因素，影响着约10%的妊娠。尽管医学进步显著，但早产的具体机制仍未完全阐明。流行病学研究提示，母亲暴露于环境污染物可能是早产的风险因素之一，特别是像双酚A（BPA）、全氟辛酸（PFOA）等一些持久性有机污染物。然而，观察性研究存在混杂因素多、结果不一致等局限性，难以确立因果关系。更重要的是，传统的研究模型，如动物模型或二维细胞培养，无法准确模拟人体内复杂的胎儿-母体界面结构及其功能，这限制了对环境暴露如何触发早产机制的深入理解。胎儿膜（由羊膜和绒毛膜组成）和母体蜕膜是维持妊娠和启动分娩的关键组织，其炎症状态被广泛认为是早产的核心环节。因此，开发能够再现人体内生理环境的实验模型，对于揭示环境暴露与早产之间的生物学合理性至关重要。为此，研究团队在《Chemico-Biological Interactions》上发表了他们的最新研究成果。

为了克服传统模型的局限，研究人员采用了一种创新的四室胎儿-母体界面器官芯片（FMi-OOC）。该芯片由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，包含四个同心圆环状细胞培养腔室，分别模拟母体蜕膜（DEC）、绒毛膜滋养层细胞（CTC）、羊膜间充质细胞（AMC）和羊膜上皮细胞（AEC）。这些腔室通过微通道阵列连接，允许细胞因子等生物分子进行旁分泌通信，同时限制化学物质在腔室间的被动扩散，从而更好地模拟了子宫内的组织拓扑结构。研究人员将四种与早产相关的环境污染物——PBDE-47、PFOA、BPA和DDT-o,p’——加入到代表母体侧的DEC腔室中，模拟母体暴露后化学物质通过血液到达胎儿-母体界面的过程。研究持续72小时，期间监测了化学物质在腔室间的传播、各细胞类型的活力以及多种促炎细胞因子（包括IL-6、IL-8、GM-CSF和TNF-α）的分泌水平。此外，研究还通过靶向转录组测序（TempO-Seq? S1500+ panel）对未处理的细胞进行了基因表达谱分析，以确认所用细胞模型的分子特征。数据分析采用了GraphPad Prism进行统计学分析，并使用R语言中的DESeq2包进行差异基因表达分析。

研究结果

1. 细胞模型的分子特征验证

研究人员首先对用于实验的DEC、AMC和AEC细胞（CTC细胞因测序数据质量不佳未纳入分析）进行了基因表达谱分析。主成分分析显示，这三种细胞类型具有明显不同的转录组特征。将本研究的基因表达数据与已发表的同类细胞数据进行比较，发现具有高度相关性，表明所使用的细胞模型在分子水平上能够较好地代表相应的人体组织。差异表达基因和通路分析进一步揭示了每种细胞类型特有的基因表达模式，例如，AEC和AMC细胞在两条独立的数据集中显示出显著重叠的通路富集，验证了这些细胞在芯片模型中使用的可靠性。

2. 化学物质在体外模型中的生物可利用度

鉴于体外实验条件（如血清和塑料器皿吸附）会影响化学物质的实际作用浓度，研究人员评估了测试化合物在96孔板（2D）和FMi-OOC（3D）系统中的生物可利用浓度。通过体外质量平衡模型预测和实验测量发现，两种系统中的生物可利用浓度均低于名义添加浓度。与报告的人类血液浓度相比，本研究中测试的浓度范围大约高出1到2个数量级，这使得研究结果在人类相关暴露水平上具有一定的生物学意义。

3. 化学物质对蜕膜细胞的直接效应（2D模型）

在96孔板中对DEC细胞进行剂量-效应测试发现，所有四种化合物在高浓度下均表现出细胞毒性。在亚细胞毒性浓度下，所有化合物均能诱导促炎细胞因子的分泌，特别是IL-6的水平在72小时处理后显著升高。PBDE-47还能诱导GM-CSF和IL-8的释放。这些结果表明，环境污染物能够直接引发母体蜕膜细胞的炎症反应。

4. 化学物质在FMi-OOC中的效应

当在更复杂的FMi-OOC模型中进行测试时，出现了与2D模型不同的、更具生理相关性的结果。

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  化学物质传播有限：分析化学数据显示，添加到DEC腔室的化合物很少扩散到下游的胎儿腔室（CTC, AMC, AEC），这与芯片的设计初衷一致，即模拟胎儿-母体界面的屏障功能。
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  细胞活力影响：在FMi-OOC中，DEC细胞对化学物质的耐受性比在2D模型中更强。然而，PFOA和DDT在较高浓度下引起了CTC和AMC腔室的细胞死亡，这表明化学暴露可能通过间接机制（如旁分泌信号）影响胎儿细胞。
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  促炎细胞因子反应：这是本研究最关键的发现。所有测试化合物均在不同腔室中诱发了促炎细胞因子的释放，且反应模式因化合物和细胞类型而异。
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    PBDE-47：主要诱导DEC和CTC腔室的炎症反应（如TNF-α, IL-6, GM-CSF），对AMC有轻微影响，对AEC影响不大，提示绒毛膜屏障在一定程度上限制了炎症向羊膜的传播。
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    PFOA：效应最为广泛，在所有四个腔室中都观察到了细胞因子的显著升高（特别是IL-8和TNF-α），表明其引发了强烈的胎儿-母体界面整体炎症。
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    BPA：显示出非常强烈的效应，尤其是在距离暴露部位最远的AEC腔室，所有检测的细胞因子均被强烈诱导，表明其能够有效突破屏障并引发强烈的羊膜炎症。
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    DDT：主要引起IL-6和IL-8的升高，但在多个腔室中也观察到了细胞死亡，其效应模式可能更倾向于导致细胞功能严重受损。

值得注意的是，羊膜上皮细胞（AEC）对BPA和PFOA表现出高度的敏感性，尽管化学物质本身并未大量到达该腔室。这强烈提示，来自上游细胞（如DEC和CTC）的炎症信号（即旁分泌效应）是触发最终效应的重要机制。

结论与讨论

本研究成功利用四细胞FMi-OOC模型，揭示了环境污染物可能通过诱导胎儿-母体界面组织产生促炎状态，从而增加早产风险的生物学机制。研究结果表明，即使化学物质本身很少直接到达胎儿腔室，母体侧的暴露也足以通过旁分泌信号传导，引发绒毛膜和羊膜的炎症级联反应。这种炎症反应，特别是发生在胎儿膜，是已知的早产触发因素。

研究有几个重要发现：首先，FMi-OOC模型相比传统2D培养，能更好地模拟体内组织的复杂性和细胞间的相互作用，所观察到的效应（如DEC细胞耐受性增强、胎儿细胞的旁分泌效应）可能更贴近生理实际。其次，不同污染物引发的效应模式存在差异，例如BPA和PFOA主要导致强烈的羊膜炎症，而DDT则伴随较多的细胞毒性，这提示不同环境毒物可能通过不同的机制通路影响妊娠结局。最后，绒毛膜滋养层细胞（CTC）的屏障功能完整性似乎是防止炎症信号向下游羊膜传播的关键。一旦该屏障被破坏或功能受损，强烈的羊膜炎症便可能被触发。

这项研究的重要意义在于，它为流行病学中观察到的环境暴露与早产之间的关联提供了强有力的体外机制证据，增强了其生物学合理性。FMi-OOC模型作为一个强大的平台，未来可用于更系统地评估多种环境因素对妊娠维持的影响，有助于识别高风险化学物并阐明其作用机制。尽管研究中使用的浓度高于一般人群暴露水平，但其生物可利用浓度与人类血液浓度的可比性为风险评估提供了有价值的参考。总之，这项工作深化了我们对环境因素如何干扰妊娠过程的理解，并为开发预防早产的新策略提供了新的视角和工具。未来的研究可以进一步聚焦于解析FMi-OOC中腔室间传递的具体旁分泌信号分子，从而更完整地描绘出从环境暴露到早产发生的分子路径图。