Микрофлюидный органный чип моделирует шейку матки человека, чтобы заполнить ключевой пробел в здоровье женщин

Бактериальный вагиноз (БВ) был идентифицирован как одна из многих неудовлетворенных проблем женского здоровья, от него страдают более 25% женщин репродуктивного возраста. Его вызывают патогенные бактерии, которые приводят здоровые микробиомы женского влагалища и шейки матки (маленького привратника, соединяющего матку и влагалище) в состояние дисбаланса, известное как дисбактериоз.

Этот дисбиоз затем вызывает воспаление, которое не только вызывает сильный дискомфорт, но также может привести к множеству последующих осложнений, включая повышенный риск заражения ВИЧ и другими заболеваниями, передающимися половым путем, более высокий уровень самопроизвольных абортов и преждевременных родов, поскольку а также воспалительные заболевания органов малого таза и эндометрия.

На данный момент единственным методом лечения БВ являются антибиотики, которые часто не могут убить бактерии, проникшие в инфицированное влагалище и шейку матки. Антибиотикотерапия также не предотвращает рецидив этого заболевания более чем у 60% женщин. Хотя БВ был впервые описан более ста лет назад, патогенетические явления, возникающие после первичного заражения, остаются очень плохо изученными, что приводит к отсутствию более эффективных методов лечения БВ.

Теперь, заполняя важный пробел, совместная группа исследователей из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Калифорнийского университета в Дэвисе под руководством директора-основателя Wyss Дональда Ингбера, доктора медицинских наук, доктора философии, разработала микрофлюидного человека в модель сложной ткани шейки матки vitro, шейка матки человека на чипе (Cervix Chip), которая преодолевает основные ограничения существующих моделей на животных и статических моделей in vitro.

С беспрецедентной точностью и детализацией чип шейки матки воспроизводит сложные взаимодействия между эпителиальными клетками шейки матки, защитным слоем слизи, который они производят, и микробиомом шейки матки в его здоровом состоянии, а также когда он подвергается атаке со стороны бактерий, вызывающих БВ.

Эти выводы опубликованы в Природные коммуникации.

Исследователи создали модель органного чипа стенки шейки матки, выращивая эпителиальные клетки шейки матки человека в одном из двух параллельных каналов, проходящих через микрофлюидное устройство размером с USB-накопитель, и выращивая клетки фибробластов шейки матки в соседнем канале.

Каналы разделены пористой мембраной, которая позволяет двум типам клеток взаимодействовать так же, как в организме женщины. Важно отметить, что команде удалось восстановить две основные части стенки шейки матки, определив альтернативные условия потока, используемые для перфузии эпителиального канала средой, которая производила механические сигналы, специфичные для этой области.

Их технология Cervix Chip позволила команде также воспроизвести выработку слизи в шейке матки и то, как характеристики слизи изменяются под влиянием половых гормонов, а также здоровых и патогенных микробных сообществ.

«Наша разработанная модель шейки матки, а также широта и глубина анализа, которые она позволяет, устанавливают новый стандарт в исследованиях, который хорошо соответствует существующим клиническим наблюдениям, и в то же время предлагают первое новое понимание функциональности и уязвимости шейки матки», — сказал первый автор Зохре Изадифар, доктор философии. Д., который возглавил проект в качестве научного сотрудника в команде Ингбера, а сейчас является членом исследовательского факультета Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы (HMS).

Достижения исследования являются важной вехой. Исследователи определили широко распространенный БВ среди африканских женщин как область первоочередной важности, поскольку он резко увеличивает риск преждевременных родов и ВИЧ-инфекции на континенте. С конечной целью найти срочно необходимые методы лечения БВ был сформирован исследовательский консорциум, в который вошли Ингбер, а также со-старший автор Карлито Лебрилла, доктор философии. в Калифорнийском университете в Дэвисе.

«В этом исследовании мы использовали важные результаты, полученные нами с помощью ранее разработанного вагинального чипа, чтобы создать платформу, которая теперь позволяет исследователям находить ответы на дополнительные давние вопросы о женском здоровье», — сказал Ингбер. «Чип шейки матки можно использовать вместе с чипом влагалища для оценки эффективности потенциальных новых методов лечения в виде живых биотерапевтических продуктов, которые другие члены нашего… консорциума разрабатывают для лечения БВ. Мы также надеемся использовать чип для лечения БВ. определить новые методы лечения других инфекционных заболеваний женских репродуктивных путей».

Женская шейка матки в высоком разрешении

Цервикальный канал состоит из двух отдельных частей: нижнего цервикального канала, известного как эктоцервикс, ведущего во влагалище, и верхнего цервикального канала, известного как эндоцервикс, который соединяется с маткой. Эндоцервикс производит большую часть слизи в нижних отделах женских репродуктивных путей, периодически выделяя ее, прежде чем она продолжит свое путешествие более равномерным потоком через эктоцервикс и влагалище, которые производят меньшее количество дополнительной слизи.

Отражая эту физиологию, команда обнаружила, что периодическое воздействие на чип шейки матки потока жидкости приводит к образованию тонкого однослойного эпителия, типичного для эндоцервикса, тогда как постоянное воздействие на него потока жидкости приводит к образованию толстого многослойного эпителия, подобного эктоцервиксу. На чипе оба эпителия шейки матки демонстрировали типичные паттерны экспрессии генов.

Слизь – сложное вещество, состоящее из белков-муцинов, украшенных сильно разветвленными прядями различных молекул сахара. Сотрудник команды Лебрилла является экспертом в области аналитической химии и биологии сахара, и его команда провела углубленный «гликомический» анализ сахаров, входящих в состав слизи, вырабатываемой в чипе шейки матки в различных условиях. Эти совместные усилия позволили исследователям подтвердить, что структура сахара в слизи очень похожа на структуру, обнаруженную в образцах, полученных от женщин.

Важно отметить, что смоделированная шейка матки реагировала на концентрации половых гормонов, типичные для фолликулярной фазы менструального цикла, путем увеличения толщины, содержания воды и изменения структуры сахара в вырабатываемой слизи по сравнению с условиями с лютеиновым гормоном. Он также вызывал более сильную воспалительную реакцию и несколько снижал защитные барьерные функции в фолликулярной фазе.

«Все эти результаты точно отражают физиологию шейки матки, описанную в ходе клинических наблюдений», — сказал Изадифар.

Изучение BV в чипе шейки матки

При развитии БВ агрессивные патогенные бактерии мигрируют из влагалища через цервикальный канал в шейку матки, которая, благодаря своей продукции слизи и иммуномодулирующим способностям, обычно действует как привратник против инфекций. Когда они захватывают местные полезные бактериальные сообщества, возникает дисбактериоз. Патологические исходы этой инвазии тесно связаны с изменениями защитного слоя слизи и получением доступа патогенных бактерий к подлежащему эпителию.

Чтобы имитировать здоровые и патологические микробные условия в чипе шейки матки, исследователи сначала заселили его бактериями Lactobacillus Crispatus, которые доминируют в здоровых микробиомах шейки матки. Бактерии L. Crispatus вызывали утолщение слоя слизи и улучшали его качество, оставляя при этом подлежащий эпителий полностью неповрежденным в течение трех дней совместного культивирования. Более того, их присутствие индуцировало экспрессию белков в эпителиальных клетках шейки матки, которые участвуют в их нормальной дифференцировке и защите от патогенов.

Когда вместо этого они заселили чип шейки матки бактериями Gardnerella vaginalis, вызывающими дисбактериоз, барьерные функции эпителия оказались серьезно нарушены. Кроме того, значительно повышалась экспрессия белков, связанных с патогенными процессами, в том числе с воспалением.

«Интересно, что мы определили конкретные структурные изменения и изменения сахара в слизи, которые могут помочь объяснить ухудшение качества слизи, связанное с БВ, и косвенно могут оказать влияние на последующие патологические процессы», — сказал Изадифар. «В будущем наш восходящий подход к восстановлению женской шейки матки и ее реакция, подобная in vivo, позволят нам всесторонне исследовать значимость различных тканей и микробных компонентов шейки матки при различных патологиях».

Дополнительными авторами исследования являются Джастин Коттон, Сию Чен, Виктор Хорват, Анна Стейскалова, Ааканша Гулати, Нина ЛоГранде, Богдан Будник, Санджид Шахриар, Эрин Доэрти, Исюань Се, Таня То, Сара Гилпин, Адама Сесай и Гирья Гоял.