مدل سازی دهانه رحم انسان بر روی تراشه USB

نیک چهارم زنان در سنین باروری از واژینوز باکتریال (BV) رنج می برند، عفونتی که به دلیل عدم تعادل در میکروب های طبیعی در دستگاه تناسلی ایجاد می شود. که می تواند خطر ابتلا به بیماری های مقاربتی، زایمان زودرس و سقط جنین را افزایش دهد.^1،2 علیرغم شایع بودن، محققان مکانیسم های این بیماری را به طور کامل درک نمی کنند، تا حدی به این دلیل که مدل های حیوانی سنتی برای انعکاس محیط پیچیده در انسان تلاش می کنند.

در سال 2022، تیم زیست‌شناس و مهندس زیستی دونالد اینگبر در موسسه Wyss دانشگاه هاروارد، اندامی روی یک تراشه طراحی کردند که میکروبیوم واژن انسان را مدل‌سازی می‌کند و به محققان سیستم قابل اعتمادتری برای مطالعه BV ارائه می‌دهد.³ با این حال، عوارض BV فراتر از واژن است و تیم اینگبر را بر آن داشت تا یک سیستم دهانه رحم را روی یک تراشه بسازند. مدل جدید آنها که در مقاله ای در آن توضیح داده اند ارتباطات طبیعتسیستمی را فراهم می کند که تعاملات پیچیده بین سلول های اپیتلیال دهانه رحم، مخاطی که تولید می کنند و میکروبیوم را ثبت می کند.⁴

برای ایجاد دهانه رحم روی یک تراشه، محققان سلول هایی را اضافه کردند که کانال دهانه رحم را به یک کانال از یک دستگاه میکروسیال می پوشاند. در یک کانال مجاور، آنها فیبروبلاست های دهانه رحم را معرفی کردند که بافت همبند را تشکیل می دهند. یک غشای متخلخل بین کانال ها ارتباط بین دو نوع سلول را، مشابه شرایط بدن، فراهم می کند. محققان نشانه های مکانیکی جریان مخاط دهانه رحم را با پرفیوژن کانال ها با محیط کشت تقلید کردند. این منجر به تولید مخاطی مشابه آنچه در دهانه رحم انسان می‌افتد، شد.

دهانه رحم روی تراشه از جهات دیگر نیز شبیه اندام انسان است. تغییرات هورمونی در طول چرخه قاعدگی بر خواص و عملکرد مخاط دهانه رحم تأثیر می گذارد.⁵ هنگامی که محققان مراحل مختلف چرخه قاعدگی را با درمان دستگاه های میکروسیال با سطوح مختلف هورمون های استروژن و پروژسترون تقلید کردند، متوجه شدند که تغییرات هورمونی بر میزان مخاط و خواص آن تأثیر می گذارد. سطوح بالای استروژن، که شبیه فاز فولیکولی است، منجر به ایجاد لایه مخاطی ضخیم‌تر می‌شود. برعکس، افزایش سطح پروژسترون که در مرحله لوتئال رخ می دهد منجر به کاهش نسبی تولید مخاط می شود. با استفاده از طیف سنجی جرمی، محققان دریافتند که ترکیب شیمیایی مخاط تولید شده توسط دستگاه های میکروسیال در معرض هورمون با مشاهدات منتشر شده قبلی از نمونه های بالینی مطابقت دارد.

“[The mucus] اینگبر گفت: بسیار شبیه به انسان است که واقعاً هیجان انگیز است. این امر بیشتر تایید می‌کند که اندام‌های روی تراشه راهی برای تقلید فیزیولوژی در سطح اندام به روش‌هایی ارائه می‌دهند که سایر سیستم‌ها این کار را نمی‌کنند.

پس از تأیید اینکه دستگاه میکروسیالی آنها به طور دقیق بافت دهانه رحم انسان را منعکس می کند، تیم از مدل جدید خود برای مطالعه تأثیر یک میکروبیوم مختل شده بر یکپارچگی و عملکرد کانال دهانه رحم استفاده کردند. برای تقلید از میکروبیوم دهانه رحم، آنها را معرفی کردند لاکتوباسیلوس کریسپاتوسباکتری های موجود در دهانه رحم سالم در حالی که آنها مشاهده کردند که سلول های موجود در کانال ها دست نخورده باقی مانده اند، اضافه شد گاردنرلا واژینالیسباکتری های مرتبط با BV یکپارچگی سلولی را به خطر می اندازد و تولید مخاط و شیمی را تغییر می دهد.

این تیم تست های ایمنی و طیف سنجی جرمی را برای تجزیه و تحلیل پروتئین های تولید شده توسط مدل های دهانه رحم انجام دادند. آنها این را تماشا کردند G. واژینالیس قرار گرفتن در معرض منجر به افزایش سطح سیتوکین های التهابی و پروتئین هایی مانند پسوریاسین می شود که در سرطان دهانه رحم و تخمدان افزایش می یابد.

به گفته اینگبر، مدل سرویکس روی یک تراشه نسبت به روش‌های موجود کشت سلول‌های دهانه رحم بهبود یافته است، زیرا به محققان اجازه می‌دهد جریان مخاط را کنترل کنند و سلول‌ها را با باکتری‌ها برای مدل‌سازی میکروبیوم کشت کنند.

این تحقیقات واقعاً هیجان‌انگیز و احتمالاً یکی از بهترین‌ها در شرایط آزمایشگاهی است مالا ماهندرو، زیست شناس تولید مثل در مرکز پزشکی جنوب غربی دانشگاه تگزاس که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: مدل هایی که می توانند بیولوژی دهانه رحم انسان را خلاصه کنند. “این [system] به ما اجازه می دهد که مسخره کنیم [microbial] فعل و انفعالات به روشی سیستماتیک، که انجام آن در یک حیوان یا یک انسان دشوار است.” او افزود که استفاده از هر دو مدل حیوانی و سکوهای آزمایشگاهی قدرتمندتر از مطالعه هر دو به صورت مجزا خواهد بود.

ماهندرو خاطرنشان کرد: اینگبر و تیمش مدل سرویکس روی تراشه را با استفاده از سلول‌های افراد غیرباردار توسعه دادند. تیم او نشان داد که بیولوژی اپیتلیوم دهانه رحم به طور چشمگیری در طول بارداری تغییر می کند، “بنابراین احتمالاً باید سیستمی وجود داشته باشد که بتواند بارداری را بهتر بیان کند.”⁶ اینگبر خاطرنشان کرد که در مدل آنها، قرار گرفتن در معرض هورمون های مرتبط با بارداری منجر به تشکیل ساختارهایی مانند پلاگین مخاطی تشکیل شده در دوران بارداری شد که نشان دهنده مناسب بودن این سیستم برای مطالعه زایمان زودرس است.

تیم او در حال حاضر روی اتصال تراشه های دهانه رحم و واژن کار می کند تا بررسی کند که چگونه جریان مخاط بین دو سیستم BV را تعدیل می کند. تیم او همچنین قصد دارد از دهانه رحم روی یک تراشه برای مطالعه داروهای ضد بارداری غیر هورمونی استفاده کند.