哈佛大学开发人类阴道组织芯片

　　

img src="/Editor/ebioueditorasp/asp/upload/image/20221129/16697126299855360.jpg" alt="A breakthrough in bacterial vaginosis treatment for women's health" title="Characterization of a microfluidic human vagina-on-a-chip model. A A diagram of a two-channel organ chip viewed from above (left) and a higher magnification micrograph through a cross section of a vagina chip showing a stratified human vaginal epithelial cells cultured in the top channel atop a 50-μm thick porous membrane (dashed lines indicate top and bottom surface) with human uterine fibroblasts cultured on the opposed side of the membrane in the lower channel (right). B Representative cross-sectional immunofluorescence micrographs of human vagina chips showing squamous stratified vaginal epithelium immunostained for CK14, CK15, CK5, CK13, Involucrin, ZO-1, E-cadherin, DSG-3, DSG-1, and F-actin (to show all cells). Dashed line, upper boundary of the porous membrane; yellow, different markers; magenta, DAPI-stained nuclei. C A graph showing the changes in apparent permeability (P_app) of the vaginal tissue barrier measured on-chip for two human donors 05328 (Hispanic) and 04033 (Caucasian) measured by quantifying Cascade Blue transport. Data are presented as mean ± s.d.; n = 4. D RT-qPCR results showing relative mRNA expression of ESR1, PGR, PCK1, GCGR, KRT15, CLDN17, and ZO-1 in the vagina chip before (D0) and after differentiation on day 10 in the presence or absence of 0.4 nM (blue) or 4 nM (green) β-estradiol (D10). Credit: Microbiome (2022). DOI: 10.1186/s40168-022-01400-1" width="800" height="530"

微流体人体阴道芯片模型的表征。

在过去的十年里，人类微生物群一直是一个热门话题，研究指出，紊乱的细菌群落是一系列疾病的罪魁祸首，包括肠易激综合征、湿疹和自身免疫疾病。大多数研究都集中在人类肠道内的微生物群上，但人们越来越认识到，另一个经常被忽视的细菌群落也应该得到同样的关注——那就是阴道内的细菌群落。阴道微生物组紊乱会导致细菌性阴道病(BV)，这种病折磨着全球近30%的育龄妇女，每年的治疗费用估计为48亿美元。BV使包括艾滋病毒在内的许多性传播感染的风险加倍，并增加孕妇早产的风险，这是新生儿死亡的第二大原因。目前BV使用抗生素治疗，但它经常复发，并可能导致更严重的并发症，包括盆腔炎甚至不孕。

就像益生菌现在被用来治疗肠道问题一样，活体生物疗法也被用来治疗BV。然而，由于人类阴道微生物组与普通动物模型有显著不同，因此很难进行临床前试验。研究发现，乳酸菌在健康人类阴道菌群中占70%以上，但在其他哺乳动物阴道菌群中占不到1%。

哈佛大学Wyss研究所的研究人员发明了一种新的器官芯片，可以在体外复制人类阴道组织的微环境，包括其微生物组。阴道芯片由人类阴道上皮细胞和下面的结缔组织细胞组成，它复制了阴道的许多生理特征，并可以接种不同菌株的细菌来研究它们对器官健康的影响。发表在《Microbiome》杂志上的一篇新论文对这种芯片进行了描述。

模拟阴道微生物群

这种阴道芯片是在比尔和梅琳达·盖茨基金会的协助下开发的，该基金会旨在为BV创建一种生物疗法，并将其投入人体临床试验，以减少生殖道感染、产前并发症和婴儿死亡率。特别是在资源匮乏的国家。

“这一努力的一个主要障碍是没有良好的临床前模型，可以用来研究哪种疗法可以真正治疗人类组织中的BV。我们团队的项目是创建一个人类阴道芯片，以帮助开发和测试BV的新疗法，”合著者Aakanksha Gulati博士说，她是Wyss研究所的博士后研究员。使用Wyss研究所开发的微流体器官芯片平台，并随后获得了模拟许可，该团队将人类阴道上皮细胞植入聚合物芯片的顶部通道。然后，他们将人类子宫成纤维细胞添加到分隔顶部和底部通道的通透膜的另一侧。这种3D布局复制了人类阴道壁的结构。

五天之后，阴道芯片产生了多层不同的分化细胞，与人类阴道组织中发现的细胞相匹配。当科学家将女性性激素雌二醇(雌激素的一种形式)引入阴道芯片时，芯片的基因表达模式随之改变，表明它对激素敏感——这是体外复制人类生殖器官的另一个关键特征。

有了人类阴道的活体模型，研究小组开始研究阴道微生物群。最近的研究表明，健康的人类阴道微生物群通常包含多种乳酸菌菌株，所以他们与马里兰大学医学院的Jacques Ravel博士和他的团队合作，Ravel博士创建了三个不同的联合体，每个联合体都包含几个L. crispatus菌株。当他们将这些菌落引入阴道芯片时，三天后这三种菌落都成功地在芯片上定居。该菌群还开始产生乳酸，这有助于保持阴道的低pH值，并抑制其他微生物的生长。

除了帮助维持酸性环境外，L. crispatus细菌的存在也影响了阴道芯片的先天免疫反应。含有细菌群的芯片比没有细菌群的芯片产生的几种引起炎症的细胞因子分子水平更低，这与当前的理论相一致，即这些“好”微生物有助于控制健康人类阴道中的炎症。

坏的细菌

在创造了含有最佳细菌的健康阴道芯片后，研究小组进行了一项新的实验，他们将与BV相关的不同种类的细菌接种在芯片上:Gardnerella vaginalis、Prevotella bivia和Atopobium vaginae。这三种“坏”微生物的联合作用导致芯片的pH值升高，破坏了阴道上皮细胞，并显著增加了多种促炎细胞因子的产生——所有的反应都与在人类BV患者中观察到的类似。

“非常惊人的是，不同种类的微生物对人类阴道细胞产生了相反的影响，我们能够使用我们的阴道芯片很容易地观察和测量这些影响，”合著者Abidemi Junaid博士说，他是威斯研究所的研究科学家。“这些研究的成功表明，这个模型可以用来测试不同的微生物组合，以帮助确定最佳的益生菌治疗BV和其他疾病。”

该团队目前正在使用阴道芯片测试BV的新疗法和现有疗法，以确定可以推进临床试验的有效疗法。他们还致力于将免疫细胞集成到芯片中，研究阴道微生物群是如何驱动系统免疫系统反应的。

“越来越多的人认识到，照顾女性的健康对所有人类的健康都至关重要，但研究人类女性生理机能的工具的创造却很落后，”资深作者、医学博士、威斯研究所创始主任Don Ingber说。

“我们希望这种新的临床前模型将推动BV新疗法的发展，以及对女性生殖健康的新见解。”Ingber说。