Implementazione della microscopia a forza atomica nella placenta con preeclampsia

Abstract

La pre-eclampsia (PE) è un disturbo della gravidanza che può portare a gravi complicanze materne e fetali. Riconosce nella carente modificazione morfo-funzionale dei vasi deciduali un fondamentale momento patogenetico. Lo scopo dello studio è di caratterizzare le proprietà ultrastrutturali e meccaniche dello strato muscolare delle arterie spirali con PE mediante la microscopia a forza atomica (AFM). Un campione placentare di una paziente (33 anni) affetta da PE severa è stato confrontato con un campione di controllo della stessa età in buona salute. La modalità contact mode è stata utilizzata su sezioni di 20 m raccolte da campioni inclusi in paraffina. Sono state scansionate aree di 400 µm² a una risoluzione di 512 X 512 pixel e poi elaborate con Gwyddion e uno script di Python 3.7. Attraverso Java Script Macros (Fiji) è stato possibile visualizzare gli elaborati in 2D e 3D. I valori di modulo elastico (E) sono stati calcolati tramite un software, reso disponibile dal Dipartimento di Bioingegneria di Genova. La rugosità di superficie è stata studiata valutando più parametri di ampiezza. L’analisi AFM mostra nel campione con PE una minore variabilità di distribuzione dei valori di grigio e una maggiore direzionalità. Il campione in studio è più rigido (E media=1150 kPa) rispetto al campione di controllo (299 kPa). La rugosità per il campione con PE è bassa, con una rugosità media di 10.33 nm (vs 20.14 nm). Con AFM lo strato muscolare dell’arteria spirale del campione con PE ha mostrato una differenza significativa non altrimenti osservabile e misurabile con le attuali tecniche microscopiche. Tali risultati possono indicare una pressione più bassa da mantenere durante il fisiologico scambio di sangue a livello dell’interfaccia materno-fetale nelle gravidanze non complicate da PE. Pertanto AFM è una tecnica utile per la valutazione dei parametri morfo-meccanici in termini di diagnosi differenziale nell’ambito della patologia placentare.

Introduction: Pre-eclampsia (PE) is a disorder of pregnancy which may lead to severe maternal and fetal complication. A deficient morpho-functional modification of the decidual vessels has been identified as a critical pathogenetic moment for the disease. The aim of our study is to characterize the ultrastructural properties of the muscle layer of the spiral arteries in PE, by using atomic force microscopy (AFM). Methods: One placental sample of a patient (age 33) affected by severe PE was evaluated in comparison with an age-matched healthy pregnant control. Contact mode AFM-imaging was performed on 20 m sections collected from paraffin-embedded tissue specimen. Areas of 400 µm² were scanned with resolution of 512 x 512 pixels and then processed using Gwyddio and Python 3.7 script. Java Script Macros (Fiji) allowed to obtain and aveluate 2D and 3D elaboration. Elastic modulus (E) values were calculated using a software, made available by the Bioengineering Department of Genoa. Surface roughness was also studied by evaluating different amplitude parameters. Results: AFM analysis shows in PE sample less variability of grey level distribution and a greater directionality compared to the control case. PE sample is more firm (E median=1150 kPa) in comparison to the control sample (299 kPa). The roughness of PE sample is low, with a average roughness of 10.33 nm (vs 20.14 nm).

Discussion: By using AFM technique, spiral artery muscular layer of the patient with PE showed a significant difference that cannot be observed easily and measured by actual available microscopical techniques. Those results may reflect the lower pressure to be contained during the physiological exchange of blood at the maternal-fetal interface in an uncomplicated pregnancy. Therefore AFM is a valuable technique for the evaluation of morpho-mechanical parameters that could be extremely useful for placental pathology differential diagnosis.