用微流控器官芯片模拟人类子宫颈填补了女性健康的关键空白

具有体内样粘液产生、激素敏感性和相关微生物组的工程子宫颈为细菌性阴道病治疗和其他治疗创造了新的试验平台

细菌性阴道病(BV)已被确定为妇女健康中许多未满足的需求之一，影响超过25%的育龄妇女。它是由致病细菌引起的，这些细菌将女性阴道和子宫颈(连接子宫和阴道的小看门人通道)中的健康微生物群推向一种被称为生态失调的不平衡状态。这种生态失调会引发炎症，不仅会导致严重的不适，还会导致一系列下游并发症，包括感染艾滋病毒和其他性传播疾病的风险增加，自然流产和早产的几率更高，以及盆腔和子宫内膜炎症性疾病。

到目前为止，治疗细菌性阴道炎的唯一方法是抗生素，而抗生素往往不能杀死感染阴道和子宫颈的入侵细菌。在超过60%的女性中，抗生素治疗也不能预防这种疾病的复发。尽管BV在一个多世纪前首次被描述，但对最初感染后的致病事件仍然知之甚少，这导致缺乏更有效的BV治疗。

现在，填补了一个重要的空白，由哈佛大学和加州大学戴维斯分校的Wyss生物启发工程研究所的研究人员组成的合作团队，在Wyss创始董事Donald Ingber的领导下，医学博士，博士，开发了一种复杂宫颈组织的微流体人体体外模型，一种人类宫颈芯片(宫颈芯片)，克服了现有动物模型和静态体外模型的主要局限性。宫颈芯片以前所未有的保真度和细节，复制了宫颈上皮细胞、它们产生的保护性黏液层和健康状态下的宫颈微生物群之间的复杂相互作用，以及受到细菌性阴道炎细菌攻击时的相互作用。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员创建了一个宫颈壁器官芯片模型，方法是在通过USB记忆棒大小的微流体装置的两条平行通道中的一条中培养人类宫颈上皮细胞，并在相邻通道中培养宫颈成纤维细胞。通道由一层多孔膜隔开，这使得两种细胞可以像女性体内一样交流。重要的是，该团队能够通过确定用于向上皮通道灌注介质的替代流动条件来重建宫颈壁的两个主要部分，这产生了区域特异性的机械线索。

他们的宫颈芯片技术使该团队还能够复制宫颈粘液的产生，以及粘液特征在性激素以及健康和致病微生物群落的影响下如何变化。“我们的工程子宫颈模型和分析的广度和深度允许在研究中设定一个新的标准，与现有的临床观察完全一致，同时提供了子宫颈功能和脆弱性的第一个新见解，”第一作者Zohreh Izadifar博士说，他作为Ingber团队的博士后研究员率先开展了这个项目，现在是波士顿儿童医院和哈佛医学院(HMS)的研究教员。

这项研究的成果是实现比尔和梅林达·盖茨基金会设想目标的一个重要里程碑，该基金会资助了该项目。该基金会已经确定，在非洲妇女中高度流行的细菌性阴液炎是一个高度优先考虑的领域，因为它大大增加了非洲大陆早产和艾滋病毒感染的风险。为了找到针对细菌性阴阳炎急需的治疗方法，该基金会成立了一个研究联盟，包括Ingber以及加州大学戴维斯分校的资深作者Carlito Lebrilla博士。

“在这项研究中，我们利用之前开发的阴道芯片的关键发现来创建一个平台，现在使研究人员能够找到女性健康中其他长期问题的答案，”Ingber说。“宫颈芯片可以与阴道芯片一起使用，以评估潜在的新治疗方法的有效性，以活体生物治疗产品的形式，我们盖茨基金会资助的联盟的其他成员正在开发治疗细菌性阴道炎。我们还希望利用这种芯片来确定女性生殖道其他传染性疾病的新疗法。”Ingber还是HMS和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的Hansj?rg Wyss生物启发工程教授。

高分辨率女性子宫颈

子宫颈管由两个不同的部分组成:下子宫颈管，称为宫颈外，通往阴道;上子宫颈管，称为宫颈内，连接子宫。宫颈内产生的黏液大部分在女性生殖道的下部，在它以更均匀的流量通过宫颈外和阴道前，宫颈内产生的黏液量较少。研究小组发现，仅周期性地将宫颈芯片暴露于液体流动中，就会产生典型的宫颈内薄单层上皮，而连续暴露于液体流动中，则会产生厚的子宫颈外样多层上皮。在芯片上，两种宫颈上皮均显示其典型的基因表达模式。

粘液是一种复杂的物质，由粘蛋白组成，粘蛋白被各种糖分子的高度分叉的树枝装饰。该团队的合作者Lebrilla是分析化学和糖生物学方面的专家，他的团队对宫颈芯片在不同条件下产生的粘液中的糖进行了深入的“糖组学”分析。这一共同努力使研究人员确认，粘液的糖结构与从女性身上获得的样本中发现的糖结构非常相似。重要的是，与黄体激素相比，模拟子宫颈对月经周期卵泡期典型性激素浓度的反应是增加粘液的厚度、含水量和改变粘液的糖排列。它也产生了更强的炎症反应，并在卵泡期轻微降低其保护屏障功能。Izadifar说:“所有这些发现都密切反映了临床观察中描述的子宫颈生理学。”

研究宫颈芯片中的BV

在细菌性阴道炎的发展过程中，具有侵袭性的致病菌从阴道通过子宫颈管向上迁移到宫颈，而宫颈具有分泌粘液和免疫调节能力，通常起着抵抗感染的看门人的作用。当它们接管了当地有益的细菌群落时，生态失调就出现了。这种侵袭的病理结果与保护性黏液层的改变和致病菌进入下层上皮密切相关。

为了模拟宫颈芯片中的健康和病理微生物条件，研究人员首先在宫颈芯片中填充了crispatus乳杆菌，这种细菌在健康的宫颈微生物群中占主导地位。在共培养的3天时间里，crispatus细菌诱导黏液层增厚并改善其质量，同时使下层上皮完全完整。此外，它们的存在诱导子宫颈上皮细胞中蛋白的表达，这些蛋白参与子宫颈上皮细胞的正常分化和对病原体的保护。

当他们用导致生态失调的阴道加德纳菌填充宫颈芯片时，上皮的屏障功能受到严重损害。此外，与包括炎症在内的致病过程相关的蛋白质表达显著升高。Izadifar说:“有趣的是，我们发现了特定的粘液结构和糖修饰，这可以帮助解释与细菌性胃炎有关的粘液质量的恶化，并间接影响下游的病理过程。”“在未来，我们自下而上的方法来重建女性子宫颈及其体内样反应，将使我们能够全面研究子宫颈不同组织和微生物成分在不同病理中的相关性。”