MIT团队开发新型合成细胞外基质模型用于研究子宫内膜上皮-间质相互作用

主要作者及机构
本研究由麻省理工学院（MIT）的Juan S. Gnecco、Alexander Brown、Linda G. Griffith团队主导，合作单位包括达特茅斯学院Thayer工程学院和Newton Wellesley医院。研究成果于2023年8月11日发表于期刊*Med*（Volume 4, Pages 554–579），标题为《Organoid co-culture model of the human endometrium in a fully synthetic extracellular matrix enables the study of epithelial-stromal crosstalk》。

学术背景

研究领域与动机
子宫内膜是高度动态的组织，其周期性再生受性激素（雌激素E2和孕激素P4）调控，涉及上皮细胞与基质细胞的复杂互作。现有模型（如Matrigel）因成分不明确、批次差异大且难以支持长期共培养，限制了生殖生理和疾病机制的研究。本研究旨在开发一种完全合成的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）替代Matrigel，以模拟子宫内膜微环境，解析激素介导的细胞间通讯。

科学问题
1. 如何设计合成ECM以同时支持子宫内膜上皮类器官（endometrial epithelial organoids, EEOs）和基质细胞（endometrial stromal cells, ESCs）的长期共培养？
2. 该模型能否复现月经周期中激素驱动的关键表型变化？
3. 炎症因子IL-1β如何通过上皮-间质互作影响疾病表型（如子宫内膜异位症）？

研究流程

1. 合成ECM的设计与优化

方法开发
- 基质成分：基于多组学分析（蛋白质组和单细胞RNA测序），筛选子宫内膜周期依赖性整合素（integrin）表达谱（如α1β1、α2β1、α5β1），确定关键肽段配体：
- 胶原衍生肽GFOGER（靶向α1β1/α2β1）
- 纤连蛋白衍生肽PHSRN-K-RGD（靶向αvβ1/α5β1）
- 材料合成：采用8臂聚乙二醇（PEG）水凝胶，通过基质金属蛋白酶（MMP）可降解交联肽（CL-LW）构建可动态重塑的3D培养体系。

实验验证
- 刚度筛选：测试3 wt%（~300 Pa，接近生理刚度）、5 wt%（~2 kPa）、7 wt%（~6 kPa，模拟纤维化）PEG水凝胶对EEOs形成效率的影响（n=8例供体）。
- 配体组合：比较单一GFOGER、PHSRN-K-RGD及混合配体（Mix）对类器官形态的影响，发现Mix配方在3 wt%凝胶中效果最佳（类器官直径分布与Matrigel无显著差异）。

2. 单细胞类型培养验证

上皮类器官（EEOs）
- 表型分析：在3 wt% Mix凝胶中，EEOs形成极性结构（顶端F-actin、基底膜层粘连蛋白沉积），并保留激素响应性（孕激素受体PGR下调验证）。
- 功能验证：类器官分泌周期特异性标志物（如PAEP），且纤毛/分泌细胞分化可通过活体成像追踪。

基质细胞（ESCs）
- 形态与功能：软凝胶（3 wt%）更利于ESCs延展；IL-1β刺激抑制蜕膜化（prolactin分泌减少50%），但增加MMP活性（视频分析显示细胞迁移加速）。

3. 共培养模型构建与应用

实验设计
- 激素模拟：15天培养中分三组：增殖期（E2）、分泌期（E2+MPA）、撤退期（MPA停药+RU-486）。
- 炎症干预：IL-1β（1 ng/mL）持续刺激，分析上皮增殖与基质凋亡。

关键发现
- 激素响应：共培养组中，孕激素诱导的PAEP分泌和基质蜕膜化（PRL↑）与体内分泌期一致；撤退期上皮凋亡增加2倍（caspase-3+染色）。
- 炎症效应：IL-1β通过基质介导导致上皮异常增殖（Edu+细胞增加3倍），但抑制PGR表达，模拟子宫内膜异位症的“孕激素抵抗”表型。

主要结果与逻辑链条

1. 合成ECM的普适性：3 wt% Mix凝胶支持EEOs和ESCs的长期培养（>15天），且优于天然基质（Matrigel易降解）。
   
2. 激素周期复现：RNA-seq显示共培养组中7,821个基因差异表达，富集于ECM重构和炎症通路（如MMP-2/7的周期波动）。
   
3. 疾病机制解析：IL-1β通过基质旁分泌信号导致上皮扁平化（细胞高度降低40%）和异常增殖，与临床子宫内膜异位症病理特征一致。
   

结论与价值

科学意义
- 首次实现完全合成ECM支持子宫内膜上皮-基质共培养，解决了Matrigel的批次变异和功能局限问题。
- 揭示IL-1β通过基质介导的上皮表型转化，为子宫内膜异位症的“炎症-增殖”假说提供实验依据。

应用前景
- 可作为药物筛选平台（如测试抗炎药对孕激素抵抗的逆转效果）。
- 扩展至其他激素敏感组织（如乳腺、前列腺）的体外建模。

研究亮点

1. 创新方法：基于整合素靶向设计的PEG水凝胶，兼具可调刚度和动态降解性。
   
2. 跨周期建模：首次在体外复现月经周期全阶段的激素响应（增殖-分泌-撤退）。
   
3. 机制突破：明确IL-1β通过基质间接调控上皮增殖的旁分泌路径，为靶向治疗提供新靶点。
   

局限性
- 样本量较小（n=8供体），需扩大验证人群多样性。
- 未纳入免疫细胞等微环境组分，未来可结合微流控技术构建更复杂模型。

本研究通过工程学与生物学的交叉，为女性生殖健康研究提供了可重复、高仿生的实验工具，并为子宫内膜相关疾病的机制解析开辟了新途径。