本研究由美国德克萨斯大学医学分部加尔维斯顿分校（The University of Texas Medical Branch at Galveston）的Ourlad Alzeus G. Tantengco（同时隶属于菲律宾大学马尼拉分校）、Lauren S. Richardson、Enkhtuya Radnaa、Ananth Kumar Kammala和Ramkumar Menon，以及德克萨斯农工大学（Texas A&M University）的Sungjin Kim、Arum Han等人共同完成，并于2022年10月发表在《FASEB Journal》期刊上（卷36，第10期，文章编号e22551）。
学术背景 本研究属于生殖医学、生物工程与微生物病理学的交叉领域。主要科学问题聚焦于女性生殖道上行感染（Ascending Infection）导致早产（Preterm Birth, PTB）的机制。宫颈作为保护宫腔内胎儿免受阴道病原体侵害的关键物理和免疫屏障，其功能受损或感染与自发性早产密切相关。生殖道支原体，尤其是微小脲原体（Ureaplasma parvum），是女性生殖道中常见的共生菌，但在不良妊娠结局（如胎膜早破、早产）患者的宫颈和羊水中也频繁被检出。然而，微小脲原体如何突破宫颈屏障、诱发宫内感染和炎症，最终导致早产的具体病理生理机制尚不完全清楚。传统研究模型存在局限性：二维（2D）单细胞培养缺乏组织复杂的细胞间相互作用；动物模型（如小鼠）存在种属差异，且多为多胎妊娠；而获取妊娠期人类宫颈组织样本进行实验研究又非常困难。近年来，器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技术为在体外模拟人体器官的生理微环境和复杂结构提供了新工具。基于此，本研究旨在开发一种新型器官芯片，模拟妊娠期女性下生殖道（阴道-宫颈-蜕膜）的解剖和细胞学特征，并利用该模型与已有的母胎界面器官芯片（Feto-maternal Interface Organ-on-a-Chip, FMI-OOC）相结合，系统地研究微小脲原体上行感染的动态过程、细胞反应及其与早产的关系，从而弥补现有模型的不足，提供更接近人体生理的机制研究平台。
详细研究流程 本研究包含三大核心流程：1）阴道-宫颈-蜕膜器官芯片（VCD-OOC）的设计、构建与验证；2）利用VCD-OOC和FMI-OOC进行体外上行感染模型实验；3）使用小鼠模型进行体内生理学验证。
第一流程：VCD-OOC的构建与验证 研究团队设计并制造了一种六腔室的微流控VCD-OOC器件。该芯片由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，包含六个独立的细胞培养腔室，分别模拟阴道（接种阴道上皮细胞）、宫颈外口（ectocervical）、转化区（transformation zone）、宫颈内口（endocervical）、宫颈基质层（stroma）和蜕膜（decidua）。这些腔室通过一系列微通道（高5微米，宽30微米，长度分别为300微米和600微米）相互连接。其中，连接宫颈上皮腔室与基质腔室的较长微通道内填充了IV型胶原蛋白，以模拟体内的基底膜结构。芯片顶部还集成了一个带有培养基储液池的PDMS层，可通过重力作用维持不同腔室间的培养基扩散，无需复杂的管路连接，便于长期培养和操作。
为了验证芯片中培养的细胞能否维持其体内特征，研究团队将永生化的阴道上皮细胞、宫颈上皮细胞（外口、内口、转化区）、宫颈基质细胞和蜕膜细胞分别接种到对应的腔室中。培养48小时后，通过多种显微镜技术和免疫细胞化学染色对细胞进行表征。结果显示：阴道上皮细胞保持了立方体形态，表达上皮细胞标志物广谱细胞角蛋白（pan-cytokeratin），不产生新生胶原。宫颈外口细胞表达细胞角蛋白-14，转化区细胞同时表达角蛋白-14和角蛋白-18，并产生新生胶原，宫颈内口细胞表达角蛋白-18和粘蛋白Muc5A，并产生胶原。宫颈基质细胞呈间质形态，表达波形蛋白（vimentin）并产生大量I型胶原。蜕膜细胞呈梭形，表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）并产生胶原。这些形态学特征和特异性标志物的表达与体内组织高度一致，证实了VCD-OOC成功在芯片上重建了具有生理相关性的女性下生殖道多层细胞结构。
第二流程：体外上行感染模型实验 该流程分为几个关键步骤。首先，研究者在无细胞的VCD-OOC中进行了灌注实验，将异硫氰酸荧光素标记的脂多糖（FITC-LPS）加载到阴道腔室，观察其扩散情况。结果显示，FITC-LPS在72小时内仅扩散到宫颈外口腔室，未能到达更深层的腔室，表明在没有细胞主动转运的情况下，大分子物质难以自由穿透整个芯片结构。
随后，建立了上行感染模型。将活的微小脲原体（低剂量：10^9 颜色变化单位/毫升；高剂量：10^12 CCU/mL）接种到VCD-OOC的阴道上皮细胞腔室。在感染后4、24、48小时，通过荧光显微镜检测脲原体毒力因子多带抗原（MBA）来追踪其传播路径。结果发现，感染4小时后，脲原体已出现在宫颈外口腔室；24小时内，可依次传播至转化区和宫颈内口腔室；48小时后，在蜕膜腔室检测到少量脲原体。值得注意的是，在所有时间点，宫颈基质腔室均未检测到脲原体，这提示完整的宫颈上皮和基底膜可能对基质层起到了保护作用。
接下来，研究团队评估了感染对细胞的毒性（通过乳酸脱氢酶释放实验/LDH assay）和炎症反应（通过多重细胞因子检测，包括GM-CSF、IL-6、IL-8、IL-10）。在VCD-OOC中，无论是低剂量还是高剂量脲原体感染，均未引起各腔室细胞的显著死亡。炎症反应方面：单独的低剂量感染仅在宫颈基质细胞中引起了IL-8的四倍升高。高剂量感染则在宫颈外口细胞中引起了GM-CSF的升高，在宫颈基质细胞中引起IL-8升高，并在蜕膜细胞中同时引起IL-6和IL-8的升高。当使用“低剂量脲原体 + 脂多糖LPS（作为革兰氏阴性菌感染的模拟）”进行复合感染时，炎症反应显著增强，在蜕膜细胞中观察到GM-CSF和IL-8的急剧上升。
为了模拟感染从母体侧传播到胎儿侧，研究者进行了芯片间联用实验。他们将VCD-OOC感染48小时后，从蜕膜腔室收集的培养基，转移到已构建好的FMI-OOC的蜕膜腔室中。FMI-OOC包含羊膜上皮细胞、羊膜间充质细胞、绒毛膜滋养层细胞和蜕膜细胞，模拟母胎界面。再培养48小时后，检测FMI-OOC各腔室的细胞反应。结果显示，单独的低剂量脲原体处理未引起胎儿侧细胞明显的炎症反应。高剂量处理在绒毛膜滋养层细胞中引起了IL-8的升高。而“脲原体+LPS”的复合处理则引发了强烈的炎症风暴，在绒毛膜滋养层细胞中导致GM-CSF、IL-8和抗炎因子IL-10的数十倍激增，在羊膜上皮细胞中也引起IL-8的显著升高。所有处理均未导致明显的细胞毒性。
第三流程：小鼠模型的生理学验证 为了验证体外芯片结果的生理相关性，研究团队在妊娠CD-1小鼠中建立了上行感染模型，监测早产率和幼崽死亡率。设置了多个处理组：阴道接种低剂量脲原体、阴道接种高剂量脲原体、阴道接种“低剂量脲原体+低剂量大肠杆菌（Escherichia coli）”、羊膜腔内直接注射低剂量脲原体，以及磷酸盐缓冲液对照组。结果显示：单独阴道接种脲原体，即使高剂量，也只引起较低的早产率（20%）。阴道接种“脲原体+大肠杆菌”的复合感染，早产率为25%。然而，当脲原体绕过宫颈等保护屏障，通过羊膜腔直接注射时，早产率急剧升高至67%。幼崽死亡率的变化趋势与早产率基本一致。
主要结果 1. 成功构建并验证了VCD-OOC：该芯片能够成功共培养六种女性下生殖道相关细胞，并维持其体内特有的形态学和分子标志物特征，为研究上行感染提供了前所未有的复杂体外模型。 2. 阐明了微小脲原体在芯片上的传播动力学：脲原体能够在48小时内从阴道上行传播至宫颈上皮各层并到达蜕膜，但无法侵入宫颈基质层，这揭示了宫颈结构对不同细胞层的保护作用存在差异。 3. 揭示了微小脲原体感染的细胞反应特征：单独感染时，脲原体不引起细胞死亡，且引发的炎症反应较弱、具有剂量和细胞类型特异性（主要体现在宫颈基质细胞和蜕膜细胞）。这表明脲原体本身免疫原性较弱。 4. 发现了复合感染的协同致炎效应：当脲原体与LPS（模拟其他病原体）共同作用时，无论在VCD-OOC还是FMI-OOC中，均引发了强烈的促炎反应，尤其是在胎儿侧的绒毛膜滋养层细胞中。这表明在临床多微生物感染情境下，脲原体可能充当“帮手”，加剧炎症。 5. 小鼠模型验证了芯片研究的发现：体内实验证实，单独阴道脲原体感染不易导致早产，而直接宫内感染或复合感染则显著增加早产风险。这与芯片实验中“脲原体单独感染炎症弱，复合感染炎症强”的结果相互印证，支持了“完整宫颈屏障功能至关重要，且脲原体需与其他病原体协同或直接到达宫腔才能有效诱发早产”的假说。
结论与意义 本研究得出核心结论：微小脲原体是一种较弱的免疫原，单独上行感染不太可能引发足以导致早产的大规模炎症。完整的功能性宫颈是抵御其上行感染的关键屏障。然而，当宫颈完整性受损，或脲原体与其他致病性更强的微生物共同感染（多微生物感染），或直接到达羊膜腔时，则可能诱发强烈的炎症反应，从而显著增加早产风险。
本研究的科学价值在于：1）技术创新：开发了首个整合阴道、宫颈多层上皮、宫颈基质和蜕膜的复杂器官芯片模型，克服了传统模型的局限，实现了对女性下生殖道生理结构和上行感染过程的高度模拟。2）机制深入：首次在体外动态、可视化地追踪了脲原体上行传播路径，并分层解析了不同细胞类型对感染的差异化反应，为理解上行感染的细胞和分子机制提供了精细视角。3）转化启示：研究结果挑战了“检出脲原体即意味着致病”的简单观点，强调了宫颈屏障功能和多微生物环境在早产发病中的重要性，对临床评估感染性早产风险和治疗策略（如是否需要针对单纯脲原体定植进行干预）具有重要指导意义。4）平台价值：所建立的VCD-OOC与FMI-OOC联用系统，不仅可用于研究其他病原体感染，还可用于评估环境毒素、药物等在妊娠期对母胎界面的影响，具有广阔的生殖医学和毒理学研究应用前景。
研究亮点 1. 高度仿生的复杂器官芯片模型：VCD-OOC首次在单个芯片上整合了女性下生殖道的六种关键细胞类型，并模拟了其解剖连接（如上皮-基质通过基底膜连接），是迄今最复杂的生殖道体外模型之一。 2. 创新的“芯片到体内”验证范式：研究流程严谨，将创新的体外芯片实验结果与体内动物模型结果进行直接对照和相互验证，极大地增强了研究结论的可靠性和生理相关性。 3. 对脲原体致病角色的新见解：通过精细的实验设计，明确区分了脲原体单独感染与复合感染的不同效应，提出了其作为“条件致病菌”或“炎症放大器”的角色，深化了对这类常见生殖道微生物在早产中作用的理解。 4. 跨学科融合的成功典范：研究完美结合了微流控工程、细胞生物学、微生物学和生殖医学，是工程技术与生命科学交叉解决重大医学问题的优秀案例。
其他有价值内容 研究团队在讨论部分也坦诚指出了当前模型的局限性，例如：使用的细胞来源于非妊娠女性，可能与妊娠期细胞状态存在差异；模型目前缺乏免疫细胞（如巨噬细胞）的参与，而免疫细胞在生殖道感染和炎症中至关重要；模型也未能完全模拟妊娠期的内分泌环境（如高水平的雌激素和孕酮）。这些不足之处也为未来研究的改进方向指明了道路，例如开发集成免疫细胞和激素调控的下一代器官芯片模型。