人類(lèi)宮頸和陰道芯片中的宮頸粘液可調節陰道菌群失調

本研究利用器官芯片技術(shù)探索了宮頸陰道粘液在維持陰道健康方面的保護作用，尤其針對細菌性陰道�。�BV）。通過(guò)構建模擬人類(lèi)宮頸和陰道的芯片模型，科學(xué)家們發(fā)現，宮頸粘液能顯著(zhù)降低由失調菌群（如加德納菌）引起的陰道炎癥和上皮損傷。通過(guò)進(jìn)一步的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現了與BV相關(guān)的潛在生物標志物和治療靶點(diǎn)。這些發(fā)現不僅突顯了宮頸粘液在維護陰道健康中的重要作用，也展示了器官芯片技術(shù)在研究女性生殖道復雜相互作用中的價(jià)值。這項研究為理解陰道菌群失調的潛在機制提供了新的視角，并為開(kāi)發(fā)針對性療法和診斷工具以提升女性生殖健康開(kāi)辟了新的道路。

1、利用Emulate器官芯片，構建傳統實(shí)驗模型難以模擬生理結構和功能的陰道及宮頸模型，并將二者整合。

2、利用Emulate器官芯片技術(shù)，探索宮頸粘液在調節陰道微生物組組成及其對健康結果的影響。

首先，將原代人子宮成纖維細胞接種于底部通道，并在頂部通道中接種人陰道上皮細胞，從而構建出人類(lèi)陰道芯片。構建人類(lèi)宮頸芯片的方法類(lèi)似，即將原代宮頸成纖維細胞接種于底部通道，隨后在頂部通道中接種原代宮頸上皮細胞。

自宮頸芯片的上皮通道中，科學(xué)家們連續7天收集了含粘液的流出物（“宮頸芯片粘液”），隨后利用陰道芯片的上皮通道進(jìn)行灌注，以模擬體內生殖道中粘液的自然流動(dòng)過(guò)程（圖1A）。相較于不含粘液的對照組陰道芯片，含有宮頸芯片粘液的陰道芯片在多種促炎細胞因子的分泌上顯示出顯著(zhù)降低，這些因子包括IL-1α、IL-1β和巨噬細胞炎癥蛋白-1β（MIP-1β），同時(shí)，在暴露24h后，抗炎因子IL-10的產(chǎn)生有所增加（圖1B）。這些結果表明，在體外條件下，由宮頸上皮產(chǎn)生的含粘液的液體能夠直接影響陰道上皮，導致細胞因子的產(chǎn)生受到抑制，這一效應在缺乏免疫細胞的情況下依然存在。

圖1：宮頸粘液對陰道芯片產(chǎn)生細胞因子的影響

接下來(lái)，科學(xué)家們研究了宮頸粘液對陰道芯片中菌群失調（非最佳）陰道微生物群的影響。研究方法是在陰道芯片培養的第 14 天，分別在有無(wú)宮頸芯片含粘液流出物的情況下，將含有G. vaginalis E2和E4以及P. bivia BHK8 和A. vaginae (BVC1；約10^5 CFU/芯片) 的菌群接種到陰道芯片中。結果顯示，人類(lèi)宮頸粘液的存在抑制了菌群在陰道上皮的定植以及其在陰道芯片上繁衍的能力。

無(wú)論是先用宮頸粘液流出物預處理陰道芯片一天后再引入微生物組，還是在引入微生物組后再添加粘液，或者在細菌接種前一日添加粘液并在隨后的3天培養中持續存在，感染72小時(shí)內收集的陰道芯片上皮通道流出物中活的非粘附細菌的CFU總數（圖2A）與培養結束時(shí)陰道芯片消化液中活的粘附細菌的數量（圖2B）均顯著(zhù)減少。在宮頸粘液存在的情況下，陰道芯片上皮與菌群失調的BVC1聯(lián)合體消化后，具有線(xiàn)索細胞樣外觀(guān)（即被結合細菌覆蓋）的陰道上皮細胞數量減少（圖2C、D）。

由宮頸粘液引起的細菌細胞數量減少現象，伴隨著(zhù)陰道上皮細胞活力的增加（圖2E），以及促炎細胞因子IL-10、RANTES（CCL5）、TNF-α、MIP-1β和IL-1α在共培養72小時(shí)后顯著(zhù)下調（圖3）。這些發(fā)現揭示了宮頸芯片粘液能夠直接影響陰道芯片上皮，抑制炎癥細胞因子的產(chǎn)生，這與保護陰道上皮免受損傷具有相關(guān)性。

圖3：暴露于菌群失調聯(lián)合體的陰道芯片產(chǎn)生的細胞因子

為了探究宮頸粘液是直接抑制細菌細胞生長(cháng)，還是通過(guò)改變陰道細胞生理學(xué)間接抑制生長(cháng)�？茖W(xué)家們進(jìn)行了以下實(shí)驗，他們比較了從對照宮頸芯片的上皮通道收集的含粘液流出物樣本中陰道加德納菌的生長(cháng)情況，以及用宮頸芯片含粘液流出物灌注1天的陰道芯片流出物中培養的細菌。作為實(shí)驗對照，該細菌直接在用于灌注宮頸和陰道芯片頂端通道的HBSS中培養。實(shí)驗結果表明，陰道加德納菌在宮頸芯片含粘液流出物中生長(cháng)良好，但在用類(lèi)似的宮頸芯片含粘液流出物灌注的陰道芯片流出物或缺乏關(guān)鍵營(yíng)養物質(zhì)的HBSS中培養時(shí)，其生長(cháng)受到抑制（圖4A，B）。值得注意的事，在提供最佳營(yíng)養條件后進(jìn)行的類(lèi)似研究中，細菌生長(cháng)在對照 HBSS 流出物中的生長(cháng)得以恢復，但在暴露于宮頸芯片含粘液液體的陰道芯片流出物中卻沒(méi)有恢復（圖4C、D ）。這些發(fā)現揭示了宮頸芯片產(chǎn)生的粘液成分能夠誘導陰道芯片內壁細胞表達出抑制細菌生長(cháng)的因子，從而達到抑制細菌的效果。

圖4：2D培養中陰道芯片流出物中陰道加德納菌的生長(cháng)受到抑制制

為了進(jìn)一步探索宮頸粘液對陰道上皮的影響，科學(xué)家們進(jìn)行了質(zhì)譜分析，以比較暴露于宮頸芯片流出物前后的陰道芯片與未處理的陰道芯片流出物的蛋白質(zhì)組差異。研究中發(fā)現，在鑒定出的 1752 種蛋白質(zhì)中，有 103 種蛋白質(zhì)在流經(jīng)宮頸芯片流出物的陰道芯片與單獨的宮頸芯片流出物或陰道芯片流出物之間存在差異。并觀(guān)察到多種蛋白質(zhì)表達的顯著(zhù)變化，其中 64 種蛋白質(zhì)表達增加（圖5A），39 種蛋白質(zhì)表達減少（圖5B），最顯著(zhù)的變化以火山圖突出顯示（圖5C）。此外，蛋白質(zhì)組學(xué)數據的主成分分析（PCA）的結果也表明，與未經(jīng)處理的宮頸或陰道芯片相比，暴露于宮頸芯片粘液的陰道芯片流出物中的蛋白質(zhì)表達發(fā)生了顯著(zhù)變化（圖5D）。

通過(guò) STRING 分析，科學(xué)家們發(fā)現在 39 種下調的蛋白質(zhì)中，有 3 種表現出鈣通道抑制劑的活性（PHPT1、AMBP、SLC30A1）。 3 種下調的蛋白質(zhì)屬于脂質(zhì)運載蛋白家族（AMBP、APOD、RBP4），該家族因在調節炎癥和抗氧化反應方面的作用而廣為人知。STRING 分析進(jìn)一步揭示，17 種上調的蛋白質(zhì)是 RNA 結合蛋白（RBP）。考慮到 BV 會(huì )增加對性傳播感染（包括病毒感染）的易感性，這些發(fā)現進(jìn)一步支持了 RBPs 可能參與在生殖道內免疫反應。此外，在陰道芯片暴露于宮頸粘液后，能夠增強潛在抗菌蛋白 PLAU 和 WASF2 的表達。值得注意的是，一種顯著(zhù)下調的蛋白 GNS，其下調可能有助于抑制觀(guān)察到的菌群失調細菌的生長(cháng)，這種抑制作用是通過(guò)增加糖蛋白的硫酸化來(lái)防止粘蛋白被降解實(shí)現的。

圖5：宮頸粘液改變陰道分泌物

本研究強調了宮頸粘液在維持陰道健康和預防菌群失調相關(guān)變化中的關(guān)鍵作用。研究結果明確表明，含有宮頸粘液的分泌物能夠抑制人陰道芯片中菌群失調的生長(cháng)，以及相關(guān)的炎癥和上皮細胞損傷�？茖W(xué)家們還識別出若干蛋白質(zhì)和抗菌肽，它們可以作為監測女性生殖道健康狀況的臨床生物標志物，并可能成為治療陰道菌群失調的潛在靶點(diǎn)。

此外，這項研究揭示了外泌體在組織間通訊和對女性生殖道菌群失調的免疫保護中所扮演的潛在角色。這些發(fā)現可能具有重要的臨床意義，特別是在識別具有復發(fā)性菌群失調高風(fēng)險的患者，并定制其相應的治療計劃。

Emulate人體器官芯片模型為研究女性生殖道宿主-微生物組相互作用提供了寶貴的工具，并有助于識別陰道菌群失調及其他相關(guān)疾病患者的潛在臨床生物標志物和治療靶點(diǎn)。