Чип, моделирующий шейку матки, поможет исследовать дисбиоз половых органов

Здоровье нижних отделов репродуктивной системы женщины зависит в том числе от симбиотических отношений с микробиомом, в частности, Lactobacillus crispatus. При дисбиозе (например, при бактериальном вагинозе) равновесие нарушается, на слизистой начинают размножаться разнообразные анаэробные бактерии, в том числе Gardnerella vaginalis. От бактериального вагиноза страдают более 25% женщин репродуктивного возраста; эта болезнь повышает риск заражения ВИЧ и другими заболеваниями, передающимися половым путем. Также она может отрицательно сказаться на исходах беременности. Современные методы терапии имеют низкую эффективность и высокую частоту рецидивов. Для разработки более эффективного лечения необходимо лучше разбираться в механизмах этих состояния. Ученые из Гарвардского университета исследовали здоровое состояние и патологии нижних отделов половой системы женщины на чипе.

Все больше внимания ученые уделяют слизистой оболочке, выстилающей эпителиальный слой нижних отделов половой системы, в том числе ее роли в фертильности и беременности. Структура, состав и экспрессия генов эпителия шейки матки, включая свойства слизистой, значительно меняются под действием гормонов и окружающей среды. На них также влияет микробиом. Например, изменения уровней половых гормонов при менархе, менструации, беременности и менопаузы влияют как на микробиом, так и на свойства слизистой. Неясно, что изменяется в первую очередь, также не до конца понятны причинно-следственные связи этих изменений. Современные экспериментальные системы не передают сложность строения реального биологического объекта.

Авторы применили технологию культивирования орган-на-чипе, которая позволяет воспроизвести структуры органов, включая взаимодействие тканей. Недавно та же группа создала вагину-на-чипе с помощью первичных человеческих эпителиальных клеток вагины и подлежащих стромальных фибробластов. В новой работе модель шейки матки на чипе содержит первичные эпителиальные клетки шейки матки и стромальные фибробласты шейки матки. Такой чип вырабатывает слизь, напоминающую природную, и позволяет изучать свойства микробиоты шейки матки.

Для получения экспериментальной системы авторы использовали коммерчески доступный микрофлюидный чип от Emulate Inc. Первичные эпителиальные клетки шейки матки (тоже коммерчески доступные) культивировали на поверхности пористой мембраны, покрытой внеклеточным матриксом, а первичные стромальные фибробласты культивировали на нижней поверхности той же мембраны.

В природе слизь вырабатывается постоянно и постепенно стекает в вагину под действием гравитации. Авторы использовали два режима: наполняли верхние каналы эпителиальной ростовой средой постоянно или периодически. Нижние канали постоянно наполняли стромальной ростовой средой. Через пять дней роста среды заменили, одновременно добавив 17-β-эстрадиол для дифференцировки клеток. Обработка продолжалась семь дней, после чего чип засеяли бактериями.

Эпителиальные и стромальные клетки сформировали монослои через день на чипе. После дифференцировки эпителиальные клетки экспрессировали гены, характерные для шейки матки. При постоянном потоке среды эпителий состоял из нескольких (более шести) слоев сплющенных клеток, напоминающих эктоцервикс. При периодическом потоке слоев было меньше (2–4), а форма клеток — более разнообразная. Под действием половых гормонов и постоянного потока среды эпителиально-мезенхимального перехода не происходило.

После семи дней дифференциации повысилось содержание муцина и экспрессия MUC5B, MUC4 и SLPI. Одновременно снижалась выработка провоспалительных цитокинов (IL-1α, IL-1β и IL-6), а при постоянном потоке — еще и IL-8 и TNF-α. При постоянном потоке среды профиль экспрессии клеток напоминал эктоцервикс, а при периодическом — эндоцервикс.

Авторы также проанализировали состав слизи, вырабатываемой культурой. Белки муцины обильно гликозилорованы (40–80%), и их состав и структура играют важную роль в биологических процессах, происходящих в шейке матки. Слизь из культуры вырабатывала большую часть наиболее часто встречающихся гликанов из клинических образцов. Состав различался в культурах под постоянным и периодическим потоком среды.

Нормальный pH шейки матки составляет 5,6–7. pH среды на чипе изменялся с 5,4 до 6,2 по мере протекания среды, что сравнимо с физиологическими условиями. Под действием гормонов гликозилирование муцина менялось таким же образом, как это происходило в клинических образцах. Эпителиальный барьер также реагировал на уровни гормонов.

Микробиота с высокой долей L. crispatus характерна для здорового состояния слизистой, а с высокой долей G. vaginalis — для дисбиоза и бактериального вагиноза. Авторы подсадили на часть чипов три штамма L. crispatus (C0059E1, C0124A1 и C0175A1), а на другую часть — G. vaginalis. В первом случае эпителиальный слой сохранял свою целостность, во втором случае наблюдались нарушения целостности эпителиального слоя и отслоение клеток. Микробиом также влиял на состав слизи.

Таким образом, авторы получили физиологически релевантную модель для лучшего понимания работы шейки матки. По мнению ученых, новый чип поможет решить проблему дисбиоза женских половых органов и бактериального вагиноза.

Вена-на-чипе облегчит изучение тромбоза глубоких вен