基于患者来源的子宫壁功能三维培养模型在微流控阵列中的构建

文献解读

研究团队从患者子宫组织中分离出三种细胞成分：子宫内膜上皮细胞、子宫内膜基质细胞和子宫肌层平滑肌细胞（图1a）。这些细胞被植入一种特制的微流控微孔阵列设备中，该设备由多达24个微流体通道组成，每个通道由两个开口孔连接，通道容纳三个5x5微孔阵列（250×250×200µm），能够在同一实验中同时培养数百个独立的3D细胞聚集体（图1b）。设备表面具有超低粘附性，促使细胞在24–48小时内自然聚集形成3D结构，且细胞无法附着于设备表面，保证了三维结构的完整性（图1c）。

图1 构建患者来源的3D子宫模型方法

在单独培养时，平滑肌细胞和子宫内膜基质细胞会形成紧凑的球体，而上皮细胞则形成较松散的结构（图2a、2b、2c）。当上皮细胞与基质细胞共培养时，上皮细胞会包裹基质细胞球体，或形成独立的细胞簇附着于基质球体表面。研究尝试了多种细胞接种顺序（图2d)，发现无论接种顺序如何，上皮细胞总是倾向于定位在3D培养体的外围，形成“外壳-核心”结构，其中平滑肌细胞最后接种的方案（方案B和D）能产生最稳定、结构最清晰的子宫壁模型（图2e、2f)。

图2 构建3D子宫壁模型的接种顺序方案

研究团队测试了不同浓度的Matrigel®（一种细胞外基质材料）对3D培养的影响。结果显示，使用5%低粘度Matrigel®能显著促进子宫样3D结构的形成，上皮细胞清晰分布于外层，平滑肌细胞位于核心。相比之下，100%高浓度Matrigel®会导致细胞类型分离和基质细胞向外迁移，不利于形成稳定的子宫壁结构（图3）。

图3 低粘度基质胶的掺入促进子宫样组织3D培养物形成

研究比较了来自不同捐赠者的细胞在两种最佳接种方案（B和D）下的培养效果。结果显示，在激素刺激下（模拟月经周期分泌期），方案D培养出的3D结构尺寸更大，上皮包裹率更高（>80%）。此外，上皮细胞比例在不同方案间无显著差异，但方案D的数据变异较小，说明其重复性更好（图4）。

图4 上皮细胞包被及功能标志物表达的验证与定量分析

为验证模型的功能性，研究对三维细胞培养模型进行了激素刺激（雌二醇、醋酸甲羟孕酮和环磷酸腺苷），并检测了蜕膜化标志物IGFBP-1和骨桥蛋白的分泌（图5a）。结果显示，在激素刺激下，三维细胞培养模型的IGFBP-1分泌随时间增加（图5b），骨桥蛋白分泌也显著高于对照组，表明模型成功模拟了子宫内膜在激素作用下的生理反应（图5c）。

图5 三维子宫壁模型的蜕膜化反应

研究进一步评估了平滑肌细胞在3D培养中对激动剂（内皮素-1和催产素）的钙离子响应。结果显示，在仅含平滑肌细胞的3D培养中，所有细胞均对ET-1表现出强烈响应。然而，在完整的三维培养模型中，如果培养体具有完整的外上皮层，则平滑肌细胞对ET-1无响应，说明上皮层可能具有屏障功能，影响了内部平滑肌细胞的信号传导。

图6 三维子宫模型对内皮素-1（ET-1）刺激的钙反应