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

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?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒗ッ骼砉ご髮W(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)膜是一種多細胞組織，它包括構(gòu)成子宮內(nèi)膜表面的單層柱狀上皮細胞，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)膜上皮細胞，間質(zhì)部分還包含了許多子宮內(nèi)膜基質(zhì)細胞，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?！闭撐牡谝蛔髡咧坏睦ッ骼砉ご髮W(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，但尚未闡明上皮細胞和基質(zhì)細胞的互作關(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，限制了疾病機制和功能的研究。

在此期間，一些依賴時間調(diào)控表達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)膜上皮細胞和子宮內(nèi)膜基質(zhì)細胞，并使用氣液界面培養(yǎng)方法和改進的細胞外基質(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)、細胞組成和基因表達譜，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)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒃颇鲜〉谝蝗嗣襻t(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胞。在這種培養(yǎng)模型中，細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)?！耙赃@種方式生長的氣道上皮細胞形成具有緊密連接、纖毛和黏蛋白合成能力的假分層細胞層，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胞形成了由分泌細胞和纖毛細胞組成的柱狀上皮?！耙虼耍瑲庖航缑婵梢灾С止δ苄陨掀そY(jié)構(gòu)的形成?！睏顫嵳f。

研究人員首先通過一系列實驗，優(yōu)化了上皮細胞和基質(zhì)細胞共培養(yǎng)的最佳比例，并改善了培養(yǎng)類器官的細胞外基質(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)膜的細胞組成、解剖結(jié)構(gòu)和月經(jīng)周期性變化等特征。

“為了進一步驗證內(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，我們還通過單細胞測序?qū)w內(nèi)組織及體外類器官進行了細胞和分子圖譜的對比分析?！崩ッ骼砉ご髮W(xué)陳庭偉博士介紹，結(jié)果顯示，該子宮內(nèi)膜類器官不僅在細胞亞群構(gòu)成和基因表達方面與體內(nèi)子宮內(nèi)膜相似，而且還重現(xiàn)了內(nèi)膜細胞對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄圖譜，闡明了不同細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)上皮細胞極性、促進纖毛形成、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)膜類器官的細胞組成、解剖結(jié)構(gòu)和基因表達模式。

“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)細胞結(jié)合，并采用改進的細胞外基質(zhì)和氣液界面方法進行培養(yǎng)?！崩钐烨缯f，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)、細胞組成、激素誘導(dǎo)的月經(jīng)周期性變化和基因表達譜。

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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