新型人类子宫内膜类器官模型构建成功

科技日报记者 赵汉斌 

子宫是人类行使生殖功能的重要器官。其内层，即子宫内膜响应卵巢激素变化，周期性地经历生长、分化及退化三个阶段。子宫内膜重塑和再生过程中的异常，会导致不孕症、复发性流产、子宫内膜肿瘤、炎症和子宫内膜异位症等疾病。

记者8月31日从昆明理工大学获悉，该校灵长类转化医学研究院和云南省第一人民医院合作，首次构建了一个新的子宫内膜类器官，且具有完整的腔上皮和腺上皮结构，为深入研究生殖疾病和复杂的人类母胎互作奠定了重要基础。研究成果以长文形式发表在《前沿科学》期刊上。

【资料图】

用气液界面培养方法构建具有腔上皮的人子宫内膜类器官。

子宫内膜的功能障碍影响深远

子宫内膜的功能障碍影响着世界范围内众多的育龄女性，排卵后分泌中期的子宫内膜容受性异常与着床失败密切相关。

“目前，关于着床窗口的调节机制仍处于‘黑匣子’阶段，由于人类激素调节的特异性和人类母体-胎儿界面的复杂性，使得动物模型上的研究结果拓展到人类具有很大的局限性，缺乏可靠和具有代表性的子宫内膜体外模型是深入研究内膜功能的最大障碍。”论文共同通讯作者、昆明理工大学灵长类转化医学研究院教授李天晴介绍。

子宫内膜是一种多细胞组织，它包括构成子宫内膜表面的单层柱状上皮细胞，称为腔上皮，是胚胎的着床位点。而位于腔上皮下方的管状腺上皮，则是为最初植入的胚胎提供营养支持的媒介。

“除了子宫内膜上皮细胞，间质部分还包含了许多子宫内膜基质细胞，它们除了在着床期间发挥重要作用，还参与如宫腔粘连等子宫内膜疾病的调控。”论文第一作者之一的昆明理工大学田冀雯博士解释，随着类器官培养技术的快速发展，近年来，已有学者在体外成功构建了人和小鼠的子宫内膜腺上皮类器官，可再现子宫腺体的部分特征，但尚未阐明上皮细胞和基质细胞的互作关系，未得到具有典型腔上皮样结构以及与体内子宫内膜解剖结构类似的体外模型，限制了疾病机制和功能的研究。

在此期间，一些依赖时间调控表达的基因有助于植入窗口的开放。此外，在妊娠早期，管腔上皮及其下方的管状腺上皮都有助于细胞防御和滋养层侵袭，这有助于维持正常的胚胎植入。因此，开发一种具有完整管腔和腺体结构，以及植入窗口基因特征的激素反应性子宫内膜模型至关重要。

在这里，研究人员通过结合子宫内膜上皮细胞和子宫内膜基质细胞，并使用气液界面培养方法和改进的细胞外基质，开发出同时具有管腔上皮及管状腺上皮样结构的子宫内膜类器官。广泛的分析表明，这些类器官准确地概括了体内子宫内膜解剖结构、细胞组成和基因表达谱，包括植入窗口基因。此外，分析表明，气液界面培养方法对于实现腔上皮结构的形成至关重要。

新创建类器官具有与体内子宫内膜相似的基因表达和结构。

气液界面培养法助力新型类器官创建

“我们在研究工作中，首次构建了一个新的子宫内膜类器官，其具有完整的腔上皮和腺上皮结构。”论文共同通讯作者、云南省第一人民医院生殖医学科主任马艳萍介绍。

据悉，气液界面培养方法最初用于培养表皮和呼吸道上皮细胞。在这种培养模型中，细胞的基底表面浸没在液体中，而顶端表面暴露在空气中，从而模拟体内的上皮结构。“以这种方式生长的气道上皮细胞形成具有紧密连接、纤毛和黏蛋白合成能力的假分层细胞层，概括了其体内上皮标志物的特征。”昆明理工大学杨洁博士介绍，此前，已有同行使用气液界面模型建立女性生殖道极性上皮培养物，以研究早期胚胎发育的微环境。当使用气液界面方法培养时，小鼠、猪和牛输卵管上皮细胞形成了由分泌细胞和纤毛细胞组成的柱状上皮。“因此，气液界面可以支持功能性上皮结构的形成。”杨洁说。

研究人员首先通过一系列实验，优化了上皮细胞和基质细胞共培养的最佳比例，并改善了培养类器官的细胞外基质，使之物理硬度及生理环境更利于子宫内膜细胞的生长发育。

为了使这一类器官形成具有激素反应性的功能腔上皮结构，研究人员使用气液界面培养方法，模拟体内子宫内膜腔面仅被黏液层覆盖的上皮结构的特殊体内环境。最终形成包含腔上皮、腺上皮及基质细胞的内膜类器官，准确再现了体内子宫内膜的细胞组成、解剖结构和月经周期性变化等特征。

“为了进一步验证内膜类器官和体内组织是否在分子水平上也具有相似性，我们还通过单细胞测序对体内组织及体外类器官进行了细胞和分子图谱的对比分析。”昆明理工大学陈庭伟博士介绍，结果显示，该子宫内膜类器官不仅在细胞亚群构成和基因表达方面与体内子宫内膜相似，而且还重现了内膜细胞对应的转录图谱，阐明了不同细胞亚群行使的生理功能。研究人员还从转录水平和染色分析表征了类器官中腔上皮和腺上皮的存在，揭示了与体内腔及腺分布及基因表达模式的相似性。

最后，研究人员通过气液界面培养及普通液面下培养的类器官比较研究，揭示了气液界面培养方法通过上调上皮细胞极性、促进纤毛形成、蜕膜化及分泌功能、调节WNT信号和植入窗口相关的基因，改善内膜类器官的细胞组成、解剖结构和基因表达模式。

“这种类器官的创新之处，在于将腺上皮和子宫内膜基质细胞结合，并采用改进的细胞外基质和气液界面方法进行培养。”李天晴说，通过与体内内膜组织的一系列比较分析，揭示了子宫内膜类器官能够再现子宫内膜的特征，包括解剖结构、细胞组成、激素诱导的月经周期性变化和基因表达谱。

此外，子宫内膜类器官还复制了着床窗和动态纤毛形成的基因表达模式，这对胚胎植入是至关重要的。新模型为深入研究胚胎植入、子宫内膜疾病和再生的机制提供了一个全新平台，可用于研究不孕症和复发性流产等疾病，并可促进辅助生殖技术的个性化和精确治疗。该模型也为深入研究复杂的人类母胎互作奠定了基础。

（昆明理工大学灵长类转化医学研究院李天晴教授课题组供图）