科技日報記者 趙漢斌?

子宮是人類行使生殖功能的重要器官。其內(nèi)層，即子宮內(nèi)膜響應(yīng)卵巢激素變化，周期性地經(jīng)歷生長、分化及退化三個階段。子宮內(nèi)膜重塑和再生過程中的異常，會導(dǎo)致不孕癥、復(fù)發(fā)性流產(chǎn)、子宮內(nèi)膜腫瘤、炎癥和子宮內(nèi)膜異位癥等疾病。

記者8月31日從昆明理工大學(xué)獲悉，該校靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院和云南省第一人民醫(yī)院合作，首次構(gòu)建了一個新的子宮內(nèi)膜類器官，且具有完整的腔上皮和腺上皮結(jié)構(gòu)，為深入研究生殖疾病和復(fù)雜的人類母胎互作奠定了重要基礎(chǔ)。研究成果以長文形式發(fā)表在《前沿科學(xué)》期刊上。

【資料圖】

用氣液界面培養(yǎng)方法構(gòu)建具有腔上皮的人子宮內(nèi)膜類器官。

子宮內(nèi)膜的功能障礙影響深遠(yuǎn)

子宮內(nèi)膜的功能障礙影響著世界范圍內(nèi)眾多的育齡女性，排卵后分泌中期的子宮內(nèi)膜容受性異常與著床失敗密切相關(guān)。

“目前，關(guān)于著床窗口的調(diào)節(jié)機(jī)制仍處于‘黑匣子’階段，由于人類激素調(diào)節(jié)的特異性和人類母體-胎兒界面的復(fù)雜性，使得動物模型上的研究結(jié)果拓展到人類具有很大的局限性，缺乏可靠和具有代表性的子宮內(nèi)膜體外模型是深入研究內(nèi)膜功能的最大障礙。”論文共同通訊作者、昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院教授李天晴介紹。

子宮內(nèi)膜是一種多細(xì)胞組織，它包括構(gòu)成子宮內(nèi)膜表面的單層柱狀上皮細(xì)胞，稱為腔上皮，是胚胎的著床位點。而位于腔上皮下方的管狀腺上皮，則是為最初植入的胚胎提供營養(yǎng)支持的媒介。

“除了子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞，間質(zhì)部分還包含了許多子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞，它們除了在著床期間發(fā)揮重要作用，還參與如宮腔粘連等子宮內(nèi)膜疾病的調(diào)控。”論文第一作者之一的昆明理工大學(xué)田冀雯博士解釋，隨著類器官培養(yǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來，已有學(xué)者在體外成功構(gòu)建了人和小鼠的子宮內(nèi)膜腺上皮類器官，可再現(xiàn)子宮腺體的部分特征，但尚未闡明上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的互作關(guān)系，未得到具有典型腔上皮樣結(jié)構(gòu)以及與體內(nèi)子宮內(nèi)膜解剖結(jié)構(gòu)類似的體外模型，限制了疾病機(jī)制和功能的研究。

在此期間，一些依賴時間調(diào)控表達(dá)的基因有助于植入窗口的開放。此外，在妊娠早期，管腔上皮及其下方的管狀腺上皮都有助于細(xì)胞防御和滋養(yǎng)層侵襲，這有助于維持正常的胚胎植入。因此，開發(fā)一種具有完整管腔和腺體結(jié)構(gòu)，以及植入窗口基因特征的激素反應(yīng)性子宮內(nèi)膜模型至關(guān)重要。

在這里，研究人員通過結(jié)合子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞和子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞，并使用氣液界面培養(yǎng)方法和改進(jìn)的細(xì)胞外基質(zhì)，開發(fā)出同時具有管腔上皮及管狀腺上皮樣結(jié)構(gòu)的子宮內(nèi)膜類器官。廣泛的分析表明，這些類器官準(zhǔn)確地概括了體內(nèi)子宮內(nèi)膜解剖結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成和基因表達(dá)譜，包括植入窗口基因。此外，分析表明，氣液界面培養(yǎng)方法對于實現(xiàn)腔上皮結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

新創(chuàng)建類器官具有與體內(nèi)子宮內(nèi)膜相似的基因表達(dá)和結(jié)構(gòu)。

氣液界面培養(yǎng)法助力新型類器官創(chuàng)建

“我們在研究工作中，首次構(gòu)建了一個新的子宮內(nèi)膜類器官，其具有完整的腔上皮和腺上皮結(jié)構(gòu)。”論文共同通訊作者、云南省第一人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)科主任馬艷萍介紹。

據(jù)悉，氣液界面培養(yǎng)方法最初用于培養(yǎng)表皮和呼吸道上皮細(xì)胞。在這種培養(yǎng)模型中，細(xì)胞的基底表面浸沒在液體中，而頂端表面暴露在空氣中，從而模擬體內(nèi)的上皮結(jié)構(gòu)。“以這種方式生長的氣道上皮細(xì)胞形成具有緊密連接、纖毛和黏蛋白合成能力的假分層細(xì)胞層，概括了其體內(nèi)上皮標(biāo)志物的特征。”昆明理工大學(xué)楊潔博士介紹，此前，已有同行使用氣液界面模型建立女性生殖道極性上皮培養(yǎng)物，以研究早期胚胎發(fā)育的微環(huán)境。當(dāng)使用氣液界面方法培養(yǎng)時，小鼠、豬和牛輸卵管上皮細(xì)胞形成了由分泌細(xì)胞和纖毛細(xì)胞組成的柱狀上皮。“因此，氣液界面可以支持功能性上皮結(jié)構(gòu)的形成。”楊潔說。

研究人員首先通過一系列實驗，優(yōu)化了上皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)的最佳比例，并改善了培養(yǎng)類器官的細(xì)胞外基質(zhì)，使之物理硬度及生理環(huán)境更利于子宮內(nèi)膜細(xì)胞的生長發(fā)育。

為了使這一類器官形成具有激素反應(yīng)性的功能腔上皮結(jié)構(gòu)，研究人員使用氣液界面培養(yǎng)方法，模擬體內(nèi)子宮內(nèi)膜腔面僅被黏液層覆蓋的上皮結(jié)構(gòu)的特殊體內(nèi)環(huán)境。最終形成包含腔上皮、腺上皮及基質(zhì)細(xì)胞的內(nèi)膜類器官，準(zhǔn)確再現(xiàn)了體內(nèi)子宮內(nèi)膜的細(xì)胞組成、解剖結(jié)構(gòu)和月經(jīng)周期性變化等特征。

“為了進(jìn)一步驗證內(nèi)膜類器官和體內(nèi)組織是否在分子水平上也具有相似性，我們還通過單細(xì)胞測序?qū)w內(nèi)組織及體外類器官進(jìn)行了細(xì)胞和分子圖譜的對比分析。”昆明理工大學(xué)陳庭偉博士介紹，結(jié)果顯示，該子宮內(nèi)膜類器官不僅在細(xì)胞亞群構(gòu)成和基因表達(dá)方面與體內(nèi)子宮內(nèi)膜相似，而且還重現(xiàn)了內(nèi)膜細(xì)胞對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄圖譜，闡明了不同細(xì)胞亞群行使的生理功能。研究人員還從轉(zhuǎn)錄水平和染色分析表征了類器官中腔上皮和腺上皮的存在，揭示了與體內(nèi)腔及腺分布及基因表達(dá)模式的相似性。

最后，研究人員通過氣液界面培養(yǎng)及普通液面下培養(yǎng)的類器官比較研究，揭示了氣液界面培養(yǎng)方法通過上調(diào)上皮細(xì)胞極性、促進(jìn)纖毛形成、蛻膜化及分泌功能、調(diào)節(jié)WNT信號和植入窗口相關(guān)的基因，改善內(nèi)膜類器官的細(xì)胞組成、解剖結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)模式。

“這種類器官的創(chuàng)新之處，在于將腺上皮和子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞結(jié)合，并采用改進(jìn)的細(xì)胞外基質(zhì)和氣液界面方法進(jìn)行培養(yǎng)。”李天晴說，通過與體內(nèi)內(nèi)膜組織的一系列比較分析，揭示了子宮內(nèi)膜類器官能夠再現(xiàn)子宮內(nèi)膜的特征，包括解剖結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成、激素誘導(dǎo)的月經(jīng)周期性變化和基因表達(dá)譜。

此外，子宮內(nèi)膜類器官還復(fù)制了著床窗和動態(tài)纖毛形成的基因表達(dá)模式，這對胚胎植入是至關(guān)重要的。新模型為深入研究胚胎植入、子宮內(nèi)膜疾病和再生的機(jī)制提供了一個全新平臺，可用于研究不孕癥和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)等疾病，并可促進(jìn)輔助生殖技術(shù)的個性化和精確治療。該模型也為深入研究復(fù)雜的人類母胎互作奠定了基礎(chǔ)。

（昆明理工大學(xué)靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院李天晴教授課題組供圖）

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