人类胎盘的工程学研究：胎盘功能建模的进展

《Placenta》：Engineering the Human Placenta: Advances in Modeling Placental Function

　　阿蒂·贾尤尔·帕特尔|卡琳娜·瓦西莱|桑迪·劳|杰弗里·A·戈德斯坦|科林·L·希西
美国伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学生物医学工程系

**摘要**
胎盘是一个高度特化的器官，在母胎界面中负责营养交换、激素产生和免疫调节。其在整个妊娠期间的动态结构和功能为研究胎盘生物学及相关产科并发症带来了重大挑战。生物工程的新兴发展为创建生理相关的胎盘模型提供了创新方法，这些模型克服了传统体外和体内系统的限制。本文综述了微流控和器官芯片系统、球状体及类器官模型、生物工程支架以及计算机模拟系统的进展。我们讨论了这些平台如何能够研究滋养层的行为和转运机制，甚至可以模拟母胎屏障。通过整合组织工程和材料科学的原则，先进的体外模型在增进我们对胎盘生理学的理解方面具有巨大潜力，最终有助于制定母胎医学的治疗策略。

**1. 引言**
由胎儿或母亲健康问题引起的产科并发症对母亲和婴儿都构成严重威胁。令人担忧的是，全球约有15%的妊娠受到潜在致命并发症的影响。(1), (2) 然而，产科领域在药物研发方面进展缓慢，导致妊娠期间可用的治疗干预措施不足。(3) 由于母胎界面的复杂性，开发有效且无毒的治疗方法变得十分困难。要应对这些挑战，必须阐明复杂的胎盘结构以及母胎屏障的微妙动态，这对于推动创新疗法至关重要。胎盘是一个在妊娠期间逐渐发育的胎儿器官，在母胎界面中起着关键作用。在整个妊娠过程中，它促进血液、氧气和营养物质的输送给胎儿，而母胎屏障主要由合胞体、绒毛外滋养层、终末绒毛、胎儿内皮和蜕膜组成。(4), (5) 随着胎盘的成熟以支持胎儿的生长，这些结构也在不断演变，从而增加了对胎盘建模的难度。胎盘发展的这种动态特性进一步复杂化了产科并发症安全有效治疗的设计和实施。

动物模型常用于研究器官系统并评估治疗效果。然而，它们不足以用于研究人类胎盘，因为人类胎盘在结构和发育上与小鼠模型存在显著差异。(4), (6) 主要区别在于人类胎盘的绒毛结构以及调控滋养层侵袭、血管重塑和营养交换的机制，这些因素共同影响健康和疾病状态下的治疗途径和细胞行为。因此，研究妊娠期间的胎盘发育和治疗效果需要一个仿生的体外胎盘模型来安全地评估胎盘的结构、功能和治疗效果。离体灌注和移植模型虽然有助于研究原始细胞行为，但存在实验持续时间短、依赖新鲜胎盘以及供体差异性等问题，限制了其在治疗评估中的应用。识别和优化生理相关模型对于推进母婴治疗发展至关重要。

在这篇综述中，我们探讨了专注于研究人类胎盘并模拟母胎屏障的体外和计算机模拟模型。我们重点介绍了基于工程的方法，包括微流控平台、球状体及类器官、生物打印、灌注和移植系统以及计算模型。这些方法结合使用，有望捕捉胎盘结构和功能的关键特征，并提供评估治疗安全性和有效性的工具。推进胎盘建模策略对于克服动物模型的局限性并实现临床相关见解至关重要。

**2. 胎盘生理学和滋养层细胞类型**
胎盘是一个动态的胎儿器官，它通过侵入子宫内膜（蜕膜）与子宫壁建立连接。(7) 在形成初期，它由外层滋养层（TB）和内层胚胎层（EB）组成。(8) 营养层细胞（TB）分化为两种不同的细胞类型：细胞滋养层细胞（CTBs）和合胞体。CTBs的持续增殖导致融合（即合胞体化），形成多核合胞体，并启动胎盘内早期绒毛结构的形成。(9) 合胞体也被称为合胞滋养层（STB）层。但在本文中，我们使用“STB”特指那些保持为离散簇状的融合细胞滋养层细胞，而不是像在体内那样形成连续的多核层。合胞体是胎盘的最外层，直接接触母体血液（图1）。

**胎盘绒毛结构的形成**早在妊娠第12-15天就开始了。此时，CTBs的增殖使合胞体更接近母体血液，从而形成初级绒毛结构。随着CTBs的继续生长，它们在胚外中胚层周围形成一层，填充绒毛的内部区域，形成次级绒毛。(10) 胚外中胚层随后在绒毛内产生胎儿动脉和静脉，(11) 这些类似毛细血管的结构最终形成三级绒毛结构，与脐带相连（图1A）。为了完成营养交换途径的建立，合胞体侵入蜕膜，形成充满母体血液的囊泡（称为裂隙），从而确立了人类胎盘的血液-绒毛屏障特性（图1D）。(12) 随着绒毛外滋养层（EVTs）对胎盘的持续侵袭（EVTs由CTBs分化而来），裂隙大小增加，绒毛产生更多分支以满足日益增长的营养交换需求（图1A-C）。(13), (14), (15), (16) 这种结构构成了母胎屏障（MFb），即母体循环中的营养物质被主动输送或扩散到绒毛结构中供胎儿静脉吸收，而胎儿废物则从胎儿动脉释放到母体循环中的界面。(17), (18) 由于绒毛结构的复杂重塑和合胞体层的持续适应，体外模型为在受控条件下研究胎盘发育和功能提供了必要的平台。然而，在体外维持特定妊娠阶段的胎盘细胞存在挑战，因为它们的表型在体外培养时会迅速变化。为了解决这个问题，研究人员采用了多种能够保留关键功能性TB特征的胎盘细胞系（表1）。常用于体外胎盘模型的细胞包括BeWo、JEG-3、JAR和HTR8/SVneo细胞。BeWo、JEG-3和JAR细胞来源于绒毛膜癌，表现出与EVTs相似的侵袭表型。(19), (20) BeWo细胞可以模拟合胞体化过程，而JAR和JEG-3细胞则模拟TB侵袭。(21), (22) 相比之下，从妊娠早期绒毛移植中永生化得到的HTR8/SVneo细胞提供了更具生物学代表性的TB粘附、侵袭、迁移和增殖模型。(23), (24)

**表1. 营养层细胞类型及其在胎盘模型中的常见用途**
| 细胞类型 | 来源 | 关键特性 | 在胎盘模型中的常见用途 |
| --- | --- | --- | --- |
| BeWo | 绒毛膜癌细胞系 | 可以发生合胞体化并表达TB标志物 | 模拟合胞体化；研究胎盘激素产生；药物转运研究(19), (20), (21), (22) |
| JEG-3 | 绒毛膜癌细胞系 | 具有侵袭表型并产生胎盘激素 | 研究TB侵袭；模拟肿瘤样TB行为；胎盘转运(19), (20), (21), (22) |
| JAR | 绒毛膜癌细胞系 | 具有侵袭性TB表型但缺乏合胞体化能力 | 模拟TB侵袭和迁移；TB信号传导研究(19), (20), (21) |
| HTR8/SVneo | 从妊娠早期绒毛移植中永生化的EVTs | 模拟TB粘附、侵袭、迁移和增殖 | 早期胎盘发育研究；植入和侵袭模型；母胎界面研究(23), (24) |
| 初级人类TB | 从人类胎盘绒毛组织中分离 | 代表体内TB表型，包含CTBs | 研究健康的胎盘生理学、激素分泌和转运蛋白活性(26), (27), (28), (29) |

尽管这些细胞系有助于胎盘研究，但通常需要额外的信号分子来复制体内合胞体化过程，这是研究母胎屏障的关键组成部分。Forskolin是一种常用的生化诱导剂，但生物力学信号（如等轴压缩应力）也被证明可以促进合胞体化。(25), (26), (27) 对于短期体外研究，初级人类TB细胞也被用来更好地模拟和调节胎盘细胞特性。(28), (29), (30), (31) 这些细胞来自妊娠晚期的胎盘组织，为研究胎盘发育和功能提供了另一种模型。总体而言，这些细胞为开发先进的仿生平台以研究人类胎盘（特别是合胞体和TB行为）奠定了基础。

**3. 建模胎盘功能和屏障特性**
传统的体外和体内模型提供了有价值的见解，但在再现人类胎盘的结构和功能复杂性方面仍存在局限。大多数动物模型在滋养层排列、屏障组成和转运机制方面与人类存在显著差异，限制了它们在人类特异性研究中的应用。(32), (33), (34) 例如，在啮齿动物中，三个不同的滋养层将母体血液与胎儿循环分开，而在人类足月胎盘中，只有合胞体形成这一屏障。(33) 这些物种间的差异凸显了需要更精确模拟人类胎盘生理的工程化模型的必要性。为了克服这些挑战，研究人员越来越多地采用基于工程的策略来模拟母胎屏障（表2）。微流控、生物打印和类器官培养等技术能够精确控制胎盘结构、细胞相互作用和微环境信号，为研究胎盘发育和功能提供生理相关的平台。

**表2. 胎盘建模方法及其考虑因素**
| 方法 | 描述 | 应用 | 优势 | 局限 |
| --- | --- | --- | --- |
| **微流控** | 具有精确操控流动和细胞粘附特性的微通道 | - 转运研究 | - 屏障功能 | - 药物输送 | - 毒性评估 | - 动态环境 | - 支持共培养 | - 障碍和ECM组分的整合 | - 无菌室制造 | BeWo, JEG-3, HPVECs, HUVECs, 初级TBs(34), (35), (36), (37), (38), (39), (40), (41), (42), (43), (44), (45), (46), (47), (48), (49) |
| **球状体** | 三维聚集的细胞 | - TB侵袭 | - MFb建模 | - 增强细胞间通讯 | - 减少营养扩散 | BeWo, JEG-3, 初级TBs(37), (43), (52), (53), (54), (55), (56) |
| **类器官** | 自组织的三维细胞共培养系统 | - 胎盘疾病建模 | - 药物测试 | - 捕捉结构和功能 | - 复杂的细胞相互作用 | - 难以控制共培养中的细胞间相互作用 | TB干细胞, 初级CTBs(27), (28), (29), (58), (59), (60) |
| **生物打印** | 与细胞结合的三维打印支架 | - EVT迁移 | - 子宫组织侵袭 | - 障碍重建 | - 可定制的几何形状 | - 有序的多细胞整合 | - 可重复性 | - 生物墨水材料特性多样 | TBs, 内皮细胞, 斑状细胞(67), (68), (69), (70) |
| **计算机模拟** | 分析组织数据的计算模型 | - 图像分析 | - 结果预测 | - 无创 | - 可扩展性和效率 | - 需要强大的数据集 | - 早期妊娠数据有限 | N/A (分析现有生物数据集)(71), (72), (73), (74) |

**3.1. 微流控平台**
微流控平台已被广泛用于各种器官芯片模型。这些系统特别吸引人，因为它们能够支持细胞共培养、整合可调聚合物材料屏障，并在不对系统造成干扰的情况下模拟动态流动条件。引入流动尤其有价值，因为它允许对细胞施加可控的剪切应力，有助于创建仿生模型。半透性聚合物屏障可以添加到这些建模系统中，以在培养过程中保持细胞分离，同时允许细胞间流动（图2）。这种技术允许在微流控芯片中添加模拟细胞外基质（ECM）的层。例如，Lee等人和Blundell等人使用该系统实现了分离细胞播种，并随后促进了通道间的相互作用。(35), (36), (37) 膜的多孔性质允许细胞附着在表面，但阻止了孔内的附着，从而防止通道堵塞，并在细胞附着后允许流体流动。该团队首先使用纤维连接蛋白聚碳酸酯膜研究了BeWo和人类初级胎盘绒毛内皮细胞（HPVECs），证明了成功的模型，展示了葡萄糖通过母胎屏障的转运。(36) 在后续研究中，他们使用JEG-3和人类脐静脉内皮细胞（HUVECs）评估了该模型的局限性，得到了类似的结果。(35), (36), (38)

**图2. 示意图展示了胎盘建模平台（计算机模拟、球状体、类器官和微流控平台、生物打印）。计算机模拟利用从胎盘组织中获取的生理数据和胎盘结构来收集关于转运机制和绒毛结构上剪切应力的数据。球状体和类器官分别使用旋转烧瓶、圆底孔板或悬滴技术形成。微流控平台设计用于模拟体内存在的细胞层。**生物打印技术可以应用于多种生物打印机模型，用于将细胞整合到水凝胶平台上。市售胎盘细胞的局限性，尤其是其生物学相关性和模拟体内特性的能力，难以克服。然而，使用微流控设备可以通过控制流动和化学刺激来缓解这些限制，例如使用福斯科林（forskolin）来诱导上皮细胞（TBs）的合胞体形成。(39), (40), (41), (42) Blundell等人通过成功复制乳腺癌蛋白介导的药物跨胎盘基质（MFb）的运输来验证了他们模型的生物学相关性，研究表明胎盘基质中这种蛋白含量丰富，并限制了药物运输。(37), (43) 这项关于“芯片上的胎盘”的研究突显了利用微流控平台模拟药物通过自然途径的保留和渗透的能力。类似的微流控平台也被用来评估微粒的胚胎毒性，使用分离出的类胚胎体（embryoid bodies）来代表胎盘与母体血液之间的界面。(44), (45) 此外，该模型还有助于进一步研究疾病胎盘模型，如先兆子痫相关的缺氧情况。(46) 微流控系统还可以对培养在通道中的细胞施加物理刺激。Abostait等人利用这一能力研究了动态流动对上皮细胞合胞体形成、微绒毛形成以及脂质体摄取的影响，他们使用了一个专注于模拟合胞体的单通道微流控系统。(41) 该团队使用的流速为22.89μL/min，产生了0.025 dyne/cm2的生物相关剪切应力，据报道这一应力范围大约在0.001-0.1 dyn/cm2之间。(47), (48), (49) 有趣的是，在相同浓度的福斯科林条件下，研究小组观察到合胞体形成增加。此外，未接受福斯科林处理的对照组样本在动态流动条件下的合胞体形成也比静态对照组和处理组有所增加。这些结果表明剪切应力可以增强合胞体形成，可能代表了一种替代或补充的融合诱导技术。研究还显示，在动态条件下，上皮细胞对脂质体的摄取显著增加。这可能表明剪切应力诱导的合胞体形成更接近生物条件，更适合模拟体内药物输送情况。

在微流控研究中监测的微绒毛形成是胎盘结构的重要组成部分，因为微绒毛形成于合胞体的顶表面，以增加表面积并促进营养物质的运输。(4), (50), (51) 尽管在之前的研究中观察到微绒毛形成随着合胞体形成的增加而增加，但细胞融合可能并非主要因素。剪切应力还通过TRPV6 Ca2+通道影响微绒毛的形成。(42) Miura等人的研究中没有使用福斯科林等化学刺激物；尽管如此，他们观察到随着剪切应力的增加，微绒毛也有所增加。此外，当TRPV6通道被沉默时，Ca2+内流显著减少，从而导致微绒毛形成减少。然而，目前尚不清楚这里使用的BeWo细胞是否已经融合形成多核的上皮细胞（STBs），这将是一个更合适的监测微绒毛形成的平台。这些发现强调了在设计体外胎盘模型时需要考虑机械和生化因素的重要性。

为了改进对孕妇的药物输送测试，Schuller等人通过将互锁阻抗生物传感器整合到代表胎盘基质（MFb）的多孔膜中，对现有的胎盘模型进行了改进。(52) 这些生物传感器可以测量颗粒流经传感器时电流的变化。(53) 这些生物传感器用于评估在制造纳米颗粒常用材料（二氧化硅、二氧化钛和氧化锌）存在的情况下胎盘屏障的完整性，从而减少了对需要细胞固定和渗透的破坏性技术（如免疫标记）的需求。本研究中评估的纳米颗粒与典型的药物输送颗粒一致，不带净电荷。因此，如果这些颗粒能够阻碍电流通过系统，它们就会降解并对传感器另一端的细胞产生细胞毒性。(54) 重要的是，该系统提供了连续的实时屏障功能和纳米颗粒效应测量，与免疫标记、TEER或MTT测定等终点方法相比，提供了更动态的评估。(52), (53) 值得注意的是，这些研究中仅使用了一种上皮细胞类型来模拟胎盘的母体和胎儿成分。在体内，有多种细胞相互作用以形成和维持胎盘基质，因此该系统并不能完全复制分子在体内的实际经历的屏障。此外，虽然微流控技术可以支持胎盘模型的构建，但由于制造过程需要洁净室，它们在学术工程环境之外难以应用。

球体和类器官模型是另一种常用的创建含上皮细胞（TBs）和上皮细胞（STBs）胎盘模型的方法。球体是由一种细胞类型组成的三维细胞聚集体，而类器官则通过原代细胞或干细胞的分化形成更复杂的器官模型。(38) 比较胚胎干细胞（EVT）球体和二维培养模型的转录组分析显示，在上皮-间充质转化、细胞-细胞接触、紧密连接形成、侵袭和血管生成等方面存在显著差异。(55) 与二维培养相比，球体模型中与这些过程相关的基因上调反映了体内的EVT特征，表明三维培养方法可以生成更具生物学相关性的体外胎盘模型。三维培养技术允许细胞与来自细胞或支架的细胞外基质（ECM）材料相互作用，而不是像二维细胞培养中常用的合成聚合物（如组织培养聚苯乙烯），从而创造更接近体内的环境。(56) 有几种球体制造技术：悬滴法、旋转瓶法和在非粘附表面培养。(56), (57), (58), (59), (60) 这些方法都依赖于细胞之间的相互粘附而不是与表面的粘附。悬滴法是将培养基中的细胞滴在培养皿盖子上，然后倒置进行培养。(58) 在这种方法中，细胞以液滴的形式悬挂在盖子上并相互粘附形成球体。Boos等人利用这种方法在微流控平台上形成胚胎体，用于评估药物跨胎盘基质的运输，提出了两种建模技术的独特组合。(44) 旋转瓶法用于保持细胞悬浮并在培养过程中搅拌它们以形成细胞聚集体。(60) 这种球体形成方法可靠性较低，产生的球体大小和形状不一，因此不常用于生成胎盘球体。在非粘附表面（如未经处理的聚苯乙烯）上进行培养通常是首选方法，可以使用96孔圆底板实现高通量。(57), (61) 此外，与悬滴法相比，这种方法产生的球体大小和形状更加一致。微制造的非粘附表面已被用于生成尺寸明确的球体。(59) 通常使用特定的营养物质来维持球体的增殖能力和调节细胞分化。例如， decorin是一种存在于结缔组织ECM中的蛋白聚糖，可用于调节细胞更新和分化。具体来说，在使用96孔圆底板进行球体形成时，decorin被用来调节HTR8/SVneo和原代上皮细胞（TBs）的分化。(57) 在球体形成过程中添加decorin可以防止其分化为上皮细胞（STBs）和胚胎干细胞（EVTs），有助于在促进分化之前维持上皮细胞的数量。这可能表明剪切应力诱导的合胞体形成更接近生物条件，更适合模拟体内的药物输送情况。

在微流控研究中监测的微绒毛形成是胎盘结构的重要组成部分，因为微绒毛形成于合胞体的顶表面，以增加表面积并促进营养物质的运输。(4), (51) 尽管在之前的研究中观察到微绒毛形成随着合胞体形成的增加而增加，但细胞融合可能不是主要因素。剪切应力还通过TRPV6 Ca2+通道影响微绒毛的形成。(42) Miura等人的研究中没有使用福斯科林等化学刺激物；尽管如此，他们观察到随着剪切应力的增加，微绒毛也有所增加。此外，当TRPV6通道被沉默时，Ca2+内流显著减少，从而导致微绒毛形成减少。然而，目前尚不清楚这里使用的BeWo细胞是否已经融合形成多核的上皮细胞（STBs），这将是一个更合适的监测微绒毛形成的平台。这些发现强调了在设计体外胎盘模型时需要考虑机械和生化因素的重要性。

为了改进对孕妇的药物输送测试，Schuller等人通过将互锁阻抗生物传感器整合到代表胎盘基质（MFb）的多孔膜中，对现有的胎盘模型进行了改进。(52) 这些生物传感器可以测量颗粒流经传感器时电流的变化。(53) 这些生物传感器用于评估在制造纳米颗粒常用材料（二氧化硅、二氧化钛和氧化锌）存在的情况下胎盘屏障的完整性，从而减少了对需要细胞固定和渗透的破坏性技术（如免疫标记）的需求。本研究中评估的纳米颗粒与典型的药物输送颗粒一致，不带净电荷。因此，如果这些颗粒能够阻碍电流通过系统，它们就会降解并对传感器另一端的细胞产生细胞毒性。(54) 重要的是，该系统提供了连续的实时屏障功能和纳米颗粒效应测量，与免疫标记、TEER或MTT测定等终点方法相比，提供了更动态的评估。(52), (53) 值得注意的是，这些研究中仅使用了一种上皮细胞类型来模拟胎盘的母体和胎儿成分。在体内，有多种细胞相互作用以创建和维持胎盘基质，因此该系统并不能完全复制分子在体内的实际经历的屏障。此外，虽然微流控技术可以支持胎盘模型的构建，但由于制造过程需要洁净室，它们在学术工程环境之外难以应用。

球体和类器官模型是另一种常用的创建含上皮细胞（TBs）和上皮细胞（STBs）胎盘模型的方法。球体是由一种细胞类型组成的三维细胞聚集体，而类器官则通过原代细胞或干细胞的分化形成更复杂的器官模型。(38) 比较胚胎干细胞（EVT）球体和二维培养模型的转录组分析显示，在上皮-间充质转化、细胞-细胞接触、紧密连接形成、侵袭和血管生成等方面存在显著差异。(55) 与二维培养相比，球体模型中与这些过程相关的基因上调反映了体内的EVT特征，表明三维培养方法可以生成更具生物学相关性的体外胎盘模型。三维培养技术允许细胞与ECM材料相互作用，而不是像二维细胞培养中常用的合成聚合物（如组织培养聚苯乙烯），从而创造更接近体内的环境。(56) 有几种球体制造技术：悬滴法、旋转瓶法和在非粘附表面培养。(56), (57), (58), (59), (60) 这些方法都依赖于细胞之间的相互粘附而不是与表面的粘附。悬滴法是将培养基中的细胞滴在培养皿盖子上，然后倒置进行培养。(58) 在这种方法中，细胞以液滴的形式悬挂在盖子上并相互粘附形成球体。Boos等人利用这种方法在微流控平台上形成胚胎体，用于评估药物跨胎盘基质的运输，提出了两种建模技术的独特组合。(44) 旋转瓶法用于保持细胞悬浮并在培养过程中搅拌它们以形成细胞聚集体。(60) 这种球体形成方法的可靠性较低，产生的球体大小和形状不一，因此不常用于生成胎盘球体。在非粘附表面（如未经处理的聚苯乙烯）上进行培养通常是首选方法，可以使用96孔圆底板实现高通量。(57), (61) 此外，与悬滴法相比，这种方法产生的球体大小和形状更加一致。微制造的非粘附表面已被用于生成尺寸明确的球体。(59) 通常使用特定的营养物质来维持球体的增殖能力和调节细胞分化。例如，decorin是一种存在于结缔组织ECM中的蛋白聚糖，可用于调节细胞更新和分化。具体来说，在使用96孔圆底板进行球体形成时，decorin被用来调节HTR8/SVneo和原代上皮细胞（TBs）的分化。(57) 在球体形成过程中添加decorin可以防止其分化为上皮细胞（STBs）和胚胎干细胞（EVTs），有助于在促进分化之前维持上皮细胞的数量。具体来说，将细胞培养为球体但防止其分化可以促进上皮细胞的增殖，而在二维环境中，细胞会分化而不是增殖。(57) 与球体类似，类器官也是在低粘附环境中生成的，尽管它们也包含多种细胞类型。通常使用从妊娠早期胎盘组织中分离出的原代上皮细胞（TBs）来制造类器官。(28), (29) 在细胞培养过程中，通过使用生长因子和Matrigel（一种可溶化的基底膜基质）来促进细胞分化，从而形成类器官。(28), (29) Sheridan等人记录了类器官的制造过程，包括必要的培养基成分和生长因子，从而成功制造并维持类器官超过一年。(30) 虽然Matrigel用于为细胞提供结构支持，但由于它是天然来源的，因此批次间可能存在显著差异，导致结果不一致。为了观察更可调支架的好处，Slaby等人开发了一种基于聚乙二醇（PEG）的水凝胶。(62) 与Matrigel系统相比，该系统显著提高了上皮细胞（TBs）的存活率、增殖能力和分化能力。该系统成功的主要因素是可调节的降解率和细胞粘附率。此外，ECM衍生的配体（作为细胞粘附基序的RGD肽序列）以定义的浓度共价结合到PEG水凝胶骨架上，以促进和调节细胞粘附。(62) 虽然Slaby等人使用该支架来调节JEG-3、JAR和BeWo细胞的球体生长，但其应用对于需要明确环境来维持增殖的原代上皮细胞（TBs）的类器官形成可能更具影响力。基于这种方法，设计了一种用于类器官形成的PEG基水凝胶，以模拟子宫内膜上皮细胞和基质细胞的相互作用。(63) 该水凝胶通过模拟体内的子宫内膜环境来支持共培养。因此，它也可能作为上皮细胞（TBs）的支架，特别是对于与子宫壁相互作用的胚胎干细胞（EVTs）和上皮细胞（STBs）有益。随着类器官的不断发展，模拟胎盘屏障甚至特定上皮细胞（TBs）的能力也在提高。原代上皮细胞的分化产生了胎盘中的多种细胞；然而，正是这些分化细胞的组织结构使得类器官能够成为胎盘的代表性模型。Hori等人使用上皮干细胞（TBs）创建了一个几乎完全由合胞体组成的类器官模型。(31) 该模型的一个关键组成部分是他们使用的多种培养基，以促进细胞增殖和分化。由于分化后的上皮细胞按层次排列，使得该模型可以用于观察疾病条件下药物跨胎盘基质的运输和屏障完整性。此外，类器官模型还可以用于观察胎盘内的特定细胞结构。Dietrich等人通过去除WNT通路激活剂来建立JEG-3类器官，从而诱导EVT的分化。(64) 然而，当他们用干细胞球体中使用的营养物质处理类器官时，形成的类器官类似于CTB类器官，但增殖率较低。(28) 这种细胞特异性模型能够研究EVT的结构，如果将类似的技术应用于BeWo细胞，可能可以在不使用福斯科林的情况下特异性地观察上皮细胞（STBs）的形成。

球体和类器官模型的一个共同结果是模型核心中的上皮细胞（TBs）融合，而不是在细胞表面。虽然Hori等人能够克服这一效应并观察到几乎完全的表面合胞体，但这并不是常见的结果。此外，为了获得这种结果，需要多种不同的营养物质，并且控制细胞增殖和分化过程会使这种胎盘基质（MFb）建模系统变得昂贵或低通量。因此，在球体和类器官模型中观察胎盘基质的特性可能比较困难，但它们有助于观察紧密的细胞相互作用对转录组学、蛋白质组学和细胞形态的影响。

生物打印技术作为一种变革性方法，可以解决模拟体内复杂的三维胎盘结构和细胞相互作用的局限性。通过结合生物材料、微制造和精确的细胞定位，可以再现胎盘的微结构和生理功能。最近的组织工程技术结合生物打印，特别是那些利用水凝胶支架和仿生基底的技术，为复制母体-胎儿界面的结构和功能特性提供了有希望的替代方案。生物打印利用3D打印与生物墨水（一种由活细胞和聚合物材料组成的复合材料）相结合。(5) 对于胎盘建模，生物打印允许细胞分层，从而观察细胞迁移并模拟细胞的体内增殖和融合特性。生物打印技术也被用于制造胎盘的屏障模型，重点在于重现合胞体结构。Kreuder等人使用甲基化明胶（GelMA）作为基础生物材料，重建了绒毛膜下层（MFb）中的屏障细胞层，关注的是细胞层整体而非其个体结构。这种方法使得研究人员能够在屏障结构的内层包含成纤维细胞，从而分隔胎儿和母体的血液循环。尽管这是一种创新的方法，但胎盘中的成纤维细胞主要分布在绒毛结构周围的基质中，而不是合胞体的外表面。因此，这种模型可能创建了一个在体内并不常见的额外屏障。尽管如此，通过生物打印技术，Kreuder等人能够制造出细胞存活率超过85%的细胞层，并且这种状态可以持续长达28天。通过生物打印技术制造的聚合物整合细胞层常用于胎盘工程中，以模拟和研究胚胎绒毛膜滋养层（EVT）细胞的迁移和侵袭行为。Ding等人利用表皮生长因子（EGF）作为化学趋化剂，诱导了滋养层细胞的侵袭行为，这可以反映其在妊娠期间侵入蜕膜的过程。他们开发了两种重要的模型：多环模型和多条带模型。在这两种模型中，都使用无细胞的GelMA作为EGF与细胞之间的屏障。此外，在多条带模型中，无细胞的GelMA还被添加到细胞层的两端，从而清晰地区分了细胞迁移和侵袭过程。重要的是，虽然该团队成功再现了滋养层细胞的行为，但所选GelMA的硬度并不能代表真实的蜕膜组织硬度。这些模型还可以用于观察疾病状态下的细胞行为，例如通过生物打印与先兆子痫相关的结构，特别是母体的螺旋动脉。虽然Kuo等人成功观察到了滋养层细胞的迁移，但Ding等人使用的GelMA硬度并不适合这一目的。这可能是由于两组研究人员创建的几何结构不同所致，未来使用生物打印技术时需要考虑这一点。

通过结合细胞外基质（ECM）支架、生理相关的细胞类型和模块化设计，生物打印系统开始复制胎盘的动态功能。随着这些技术的成熟，它们有望与其他基于组织工程的建模技术（如微流控平台）相结合，通过制造类似体内的结构并包含类似体内的机械刺激，使生物打印系统具有更高的生物学意义。

在各个研究领域中，计算机模拟模型的发展促进了人们对胎盘发育的理解，并为各种疾病的治疗提供了依据。然而，由于妊娠期间成像分辨率较低，观察胎盘的关键功能非常困难，且只能在动物模型中进行研究，但由于胎盘的物种特异性，这些动物模型的相关性有限。利用机器学习和计算技术的计算机模拟可以分析胎盘发育对其功能的影响，这些数据来自整个妊娠期间的组织样本。（69）、（70）、（71）首先，通过使用3DSlicer或CMISS（连续介质力学、图像分析、信号处理和系统识别）等软件分析生物样本中的结构和细胞组织，以识别毛细血管和末端绒毛。（70）、（72）、（73）、（74）、（75）利用这些模型，研究人员可以使用COMSOL等软件进行计算模拟，确定胎盘内不同几何结构如何影响氧合、血流和运输动力学，从而为体外模型的构建和治疗方法的开发提供依据。（69）这些模拟可用于研究驱动胎盘疾病状态的机制，例如妊娠期间的血管结构和剪切应力变化。（76）尽管计算机模拟有助于复制具有特定几何结构的系统，并允许进行多次重复实验，但这种方法也存在局限性。这些系统是基于已知的胎盘特性设计的，但相关知识仍然不完整。例如，在这些模型中，由于缺乏关于这些组织材料特性的信息，滋养层上皮、基底膜、结缔组织和毛细血管内皮被视为一整体进行建模。（70）尽管如此，计算机模拟允许在不连续采集组织的情况下研究胎盘功能和运输机制，这对于早期胎盘来说较为困难。此外，这些模型还可以指导体外系统的设计，以提高其生理相关性。

基于工程的策略显著提升了我们对胎盘建模的能力，提供了从2D培养系统到3D器官芯片平台等多种工具。虽然2D模型因其易于操作而仍然具有价值，但它们在再现母胎界面的生物力学复杂性方面存在不足。离体模型虽然更接近真实组织，但由于变异性和可操作性的限制，其应用也受到限制，这突显了开发可重复工程系统的必要性。相比之下，3D模型提供了更具生理相关性的环境，能够捕捉剪切应力、营养交换和细胞相互作用等动态特征。此外，计算机模拟利用采集的组织数据量化胎盘结构，提高了预测模型的准确性，并为3D体外系统的开发提供了依据。最终，各种建模策略的结合有助于开发出更具代表性的胎盘模型，从而加速新型治疗干预措施的开发，并改善母婴健康结果。

**作者贡献声明：**
Sien Yee Lau：概念构思、监督、初稿撰写、审阅与编辑。
Karina Vasile：初稿撰写、审阅与编辑。
Aarti Jayul Patel：资金筹集、实验设计、初稿撰写、审阅与编辑。
Colin Lee Hisey：概念构思、资金筹集、方法论设计、监督、初稿撰写、审阅与编辑。
Jeffery A Goldstein：概念构思、方法论设计、监督、初稿撰写、审阅与编辑。