
-
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
人子宫内膜细胞外基质水凝胶通过促进子宫内膜间充质干细胞功能实现子宫内膜再生
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年09月23日 来源:Advanced Healthcare Materials 9.6
编辑推荐:
本刊推荐:本研究首次系统比较了人子宫内膜增殖期与分泌期细胞外基质(ECM)水凝胶(EndoGel)的特性,证实其能有效维持子宫内膜间充质干细胞(eMSC)的干性并促进其增殖。通过建立小鼠子宫内膜损伤模型,发现EndoGel与eMSC联合移植可显著改善子宫内膜厚度(p<0.01)和生育能力(活产率提高至0.96±0.13倍),证明月经周期特异性ECM微环境对干细胞功能调控具有重要生理意义。
人类子宫内膜作为胚胎植入的界面,在生殖年龄期间经历周期性变化。虽然子宫内膜具有显著的再生能力,但严重或重复性损伤会导致不可逆变化。子宫内膜间充质干细胞(eMSC)位于子宫内膜血管周围区域,符合国际细胞治疗学会(ISCT)制定的MSC标准:体外培养条件下贴壁生长、表达CD44/CD90/CD105/CD73表面标志物、不表达造血标志物、具有成骨/成软骨/成脂分化能力。然而eMSC仅占子宫内膜基质细胞的1-4%,体外扩增易出现自发分化、复制性衰老和细胞死亡等问题。
细胞外基质(ECM)作为关键微环境因子,具有组织特异性和动态重塑特性。人类子宫内膜在不同月经周期阶段呈现独特的生物学和结构特征,形成阶段特异性ECM谱。通过脱细胞技术获得的子宫内膜ECM可转化为水凝胶,这些天然基质衍生物能促进受损组织再生。目前大多数子宫内膜ECM研究来源于猪、牛等非人类组织,缺乏对人类月经周期特异性的研究,更鲜有关注基质材料对子宫内膜干细胞的影响。
通过含0.25% Triton X-100和0.25%脱氧胆酸钠(SDC)的脱细胞缓冲液处理获得脱细胞子宫内膜基质(EndoMatrix)。组织学染色显示细胞核被完全移除,Masson三色染色和阿尔新蓝染色分别显示胶原和糖胺聚糖(GAGs)得以保留。扫描电镜显示脱细胞组织保留胶原纤维结构,DNA含量显著降低至最低水平(p<0.0001),磺化GAG(sGAG)水平下降,但总胶原(羟脯氨酸定量)和可溶性胶原保存良好。
EndoMatrix通过冻干、酸酶消化和中和转化为水凝胶(EndoGel)。3/6/9 mg·mL-1浓度的预凝胶溶液在37°C、pH 7.5条件下成功凝胶化。浊度分析和流变学评估显示,9 mg·mL-1 EndoGel需要更长的浊度增加时间。6 mg·mL-1预凝胶在4°C保持液态,20°C时保持稳定,37°C时存储模量(G′)快速增加并在500秒内稳定,表明凝胶化完成。频率扫描测试显示不同浓度EndoGel在0.01-1 Hz频率范围内呈现线性粘弹性,存储模量低于100 Pa,表现出材料柔软特性。剪切粘度测量显示剪切稀化效应,表明凝胶固化后的灵活性。
渗透压测量显示各浓度EndoGel范围在300-350 mOsm·L-1之间,随着浓度降低而下降。溶胀比评估表明水含量能力随凝胶浓度降低而增加,9/6/3 mg·mL-1 EndoGel分别吸收干重119.4%/172.4%/262.8%的水分。最终选择6 mg·mL-1浓度进行后续实验。
蛋白质组学分析显示,增殖期(n=3)和分泌期(n=3)EndoMatrix分别鉴定出1782和2568种蛋白质,其中1731种为共同表达。差异表达蛋白分析发现23种蛋白质在增殖期显著高表达,47种在分泌期显著高表达,1458种蛋白表达相似。
通过基质组数据库比对,增殖期和分泌期分别鉴定出218种(12.23%)和244种(9.50%)基质组蛋白,其中206种为共有。分泌期样本包含更广泛的基质组蛋白,主要属于糖蛋白、分泌因子和ECM调节剂类别。功能聚类分析显示,共同基质组蛋白形成ECM组织、细胞粘附、胶原纤维组织等生物过程簇,而差异基质组富集于解剖结构形态发生、多细胞生物过程、细胞分化等功能。
增殖期和分泌期EndoGel均形成稳定凝胶,但分泌期EndoGel显示出几乎两倍的水含量能力(107.9±6.3 vs 56.42±0.94,p<0.05),表明其更柔软、吸水性更强。分泌期EndoGel中糖蛋白和ECM调节因子丰度增加可能影响水凝胶的物理和生物学特性。
细胞毒性试验显示,3/6/9 mg·mL-1 EndoGel提取培养基培养eMSC后,细胞存活率和生长情况相似,表明无细胞毒性。活/死细胞成像显示,eMSC在EndoGel中嵌入5天后存活率保持在90%以上(第1天94.05±1.4%,第3天94.36±1.7%,第5天93.81±1.9%)。
功能实验表明,与组织培养聚苯乙烯(TCPS)对照相比,eMSC在纤维连接蛋白(1.25±0.03倍,p<0.01)、增殖期EndoGel(1.43±0.06倍,p<0.0001)和分泌期EndoGel(1.34±0.06倍,p<0.0001)上均显示更好的相对粘附效率。增殖期EndoGel还表现出比纤维连接蛋白更好的粘附能力(p<0.05)。
克隆形成实验显示,eMSC在纤维连接蛋白(1.23±0.07,p<0.05)、增殖期(1.67±0.10,p<0.0001)和分泌期(1.31±0.010,p<0.05)EndoGel上形成显著更多克隆。增殖期EndoGel在克隆形成活性方面显示出比分泌期更大的效果(p<0.05)。
5天培养后,eMSC在纤维连接蛋白、增殖期和分泌期EndoGel上均显示增殖活性显著增强,相对增殖效率分别达到TCPS对照的1.53±0.18(p<0.05)、1.83±0.13(p<0.001)和1.68±0.11(p<0.01)倍。干细胞标志物保存分析显示,增殖期EndoGel(1.28±0.11倍)和分泌期EndoGel(1.24±0.11倍)与TCPS对照保持相同水平。
eMSC旁分泌功能实验表明,eMSC和分泌期EndoGel/eMSC的分泌组在最初24小时内促进子宫内膜基质细胞增殖(p<0.05)。在168小时时,eMSC组和增殖期EndoGel/eMSC组仍检测到增强效果(p<0.05)。血管生成实验显示,eMSC分泌组无论是否与EndoGel共同培养,在血管形成方面均无显著差异。
采用电凝法建立小鼠子宫内膜损伤模型。术后第7天评估显示,损伤后子宫内膜厚度显著减少(p<0.01)。与PBS对照组(0.66±0.08)相比,增殖期EndoGel(1.06±0.06,p<0.01)和分泌期EndoGel(1.02±0.03,p<0.05)极大促进了子宫内膜厚度恢复。
在eMSC存在的情况下,仅与分泌期EndoGel联合(SGC:1.01±0.03)显著改善子宫内膜厚度(CO:0.93±0.05,p<0.01)。子宫内膜腺体恢复方面,PGC和SGC治疗组均检测到增加趋势,但由于变异大而未达统计学显著性。荧光标记eMSC在术后第7天检测到存在于小鼠子宫腔内。
子宫内膜再生需要基质细胞补充。单独使用EndoGel时,PG(2.64±1.71)和SG组(0.61±0.07)未观察到显著效果。有趣的是,eMSC的存在促进了基质细胞增殖。所有eMSC治疗组的增殖基质细胞比例均高于PBS组(PBS:0.42±0.06;CO:1.27±0.05,p<0.01;PGC:3.41±0.71,p<0.0001;SGC:0.78±0.08,p<0.05)。
血管生成评估显示,PBS(0.77±0.25)、PG(0.93±0.23)和SG(1.16±0.11)组间无显著差异。eMSC治疗改善了损伤子宫内膜的血管生成活性,但由于变异大而未达显著性(CO:1.30±0.39;PGC:1.00±0.35;SGC:0.90±0.14)。
妊娠第18.5天评估妊娠结果。基于妊娠囊状态,妊娠结果分为:可存活分娩(正常妊娠囊且有存活胎儿)、不可存活分娩(妊娠囊伴无法存活、受限或畸形胎儿)和吸收(无妊娠囊形成的吸收植入材料)。
以未损伤右侧子宫作为内对照,植入位点数量(L/R比)和可存活分娩数量提供了生育能力恢复的相对指标。PG治疗小鼠(相对植入比:0.64±0.35倍;相对可存活分娩比:0.33±0.05倍)和SG治疗小鼠(相对植入比:0.51±0.16倍;相对可存活分娩比:0.34±0.07倍)与PBS组(相对植入比:0.34±0.06倍;相对可存活分娩比:0.39±0.04倍)相比改善有限。
有趣的是,增殖期PGC(相对植入比:1.28±0.30倍;相对可存活分娩比:0.96±0.13倍,p<0.05)和SGC(相对植入比:1.06±0.06倍,p<0.05;相对可存活分娩比:0.98±0.12倍,p<0.05)显示出生率显著改善。eMSC与EndoGel联合使用比单独使用EndoGel产生更好的可存活分娩效果(PGC vs PG,p<0.05;SGC vs SC,p<0.05)。胎儿和胎盘质量评估显示各组间无显著差异。容受性标志物整合素αv和HOXD10表达在治疗组中比PBS对照组表达更强。
批量RNA测序分析显示,与PBS组相比,PG和SG治疗组分别鉴定出852和1663个差异表达基因(DEGs),其中670个基因为共同调控。这些共同调控基因富集于细胞解剖实体、细胞质、细胞外基质、外部封装结构、细胞外区域等细胞组分术语,以及系统发育、解剖结构发育、发育过程、多细胞生物发育、解剖结构形态发生等生物过程术语。
PG和SG独特调控基因的功能簇呈现差异模式。在细胞组分方面,SG处理组织主要与细胞质和细胞解剖实体相关,而PG处理组织主要调控细胞外区域和空间。在生物过程方面,组织发育、若干代谢过程和细胞粘附在PG处理子宫内膜中高度富集,而应激反应和调节过程在SG处理组织中富集。
PGC和SGC处理组与CO对照组相比仅鉴定出有限数量的DEGs(PGC vs CO:6个;SGC vs CO:13个;共同基因:4个)。直接比较两组测序数据集发现,Pck1、Car3、Gm45837、Mucl2、Gm26920、Scgb2b27和Scgb2b26等7个基因差异表达。转录组分析揭示了无eMSC时EndoGel的月经周期特异性治疗效果,而当EndoGel与eMSC共同给药时,再生子宫角显示最小差异。
EndoGel制造过程中每个步骤包括脱细胞、溶解和凝胶化都需要优化。当前子宫内膜脱细胞策略涉及离子去污剂、非离子去污剂或两者组合。与SDS方案相比,SDC脱细胞显示更好的天然基质组保存和类器官生长支持。但该方案导致GAGs大量损失,可能影响生理基质谱,未来需要进一步优化脱细胞方案。
溶解过程涉及酸酶消化,将固体基质分解为液体悬浮液(生物墨水)。胃蛋白酶常用作消化酶,但酸类型和浓度值得讨论。研究表明盐酸消化效率增加,产生更柔软的水凝胶,经PBS调整后可达到等渗渗透压,更适合细胞嵌入水凝胶。
从生物材料角度,EndoGel的应用潜力很大程度上取决于指定应用场景下的性能和特性。EndoGel在4°C和20°C保持液态,在37°C快速凝胶化,表明临时储存和操作不会导致不必要的凝胶化。注射入子宫腔后,生物材料可快速固化防止渗漏。
固体形式EndoGel显示优异稳定性,流变学分析呈现线性粘弹性。人子宫内膜组织硬度为400-600 kPa,而猪/牛子宫内膜水凝胶硬度范围为10-400 kPa。较高硬度水凝胶可能提供促炎环境,本研究中的低硬度水凝胶创造抗炎环境,适合组织恢复。硬度梯度促进MSC通过硬度趋化向组织迁移。过度低硬度风险水凝胶不稳定性,未来需要优化水凝胶硬度以增强eMSC治疗功能。
具有高含水量和等渗特性,EndoGel创造了一个易于细胞代谢和功能的环境。优化协议确立EndoGel材料是一种稳定的生物相容性等渗软生物材料,可作为研究模型和治疗性细胞递送载体。
子宫内膜响应变化的性类固醇激素而不断重塑,导致整个月经周期中ECM组成和结构的变化。子宫内膜周期性脱落仅发生在高级灵长类动物中,无法在牛或猪组织研究中描绘。从育龄妇女获得的子宫内膜组织可以研究特定月经周期阶段的基质环境。
先前研究已调查特定月经期的子宫内膜基质。某些基质成分(如胶原III和V)存在于整个月经周期,但形态和组织从增殖期的凝聚结构变为分泌期细胞间的结构通道。基质成分包括IV型胶原、层粘连蛋白和硫酸肝素蛋白聚糖在增殖期表达有限,主要位于血管壁和腺体基底膜周围,而在分泌期中晚期这些成分表达增加。虽然主要结构蛋白胶原在整个月经周期中相对相似,但蛋白质组/基质组分析发现某些糖蛋白、ECM调节剂和分泌因子在分泌期检测到。例如,分泌期样本中检测到ADAM成员、SERPIN 2、TIMP-2的丰度表明它们在子宫内膜重塑中参与ECM分解。分泌期子宫内膜蜕膜化导致更高组织水合作用,细胞外空间更不紧凑和扩张。某些蛋白质组是否有助于分泌期EndoGel的柔软性和含水特性需要进一步研究。
基质水凝胶对不同类型子宫内膜细胞的影响已有报道。与胶原相比,人子宫内膜基质细胞在猪源ECM水凝胶上培养时更具激素反应性并发生蜕膜化。当单层石川细胞在子宫内膜ECM水凝胶涂层板上培养时,胚胎附着也增强。Matrigel作为肿瘤来源的基质复合物广泛用于类器官形成和培养。研究表明人子宫内膜类器官需要更生理性的培养条件。他们研究在牛子宫内膜ECM水凝胶和Matrigel中培养的类器官功能和蛋白质组得出结论,ECM水凝胶在提供更天然环境方面优于Matrigel。据我们所知,尚无研究评估基质水凝胶对子宫内膜干细胞(特别是eMSC)的相容性和促进作用。因此,本研究开创性地建立了组织基质水凝胶与子宫内膜来源MSC之间的关系。
EndoGel在支持eMSC功能方面具有细胞相容性,显示无细胞毒性并支持eMSC功能。源于低硬度和等渗渗透压,EndoGel的生物力学特性有利于扩展细胞生长。活/死染色显示eMSC在5天培养中总存活率超过90%。EndoGel的高含水能力也提供了细胞代谢所需的缓冲空间。增殖期和分泌期EndoGel均显示对eMSC的刺激作用,其中增殖期EndoGel效果更佳。评估嵌入增殖期EndoGel的eMSC旁分泌作用时,在后期时间点观察到更好的子宫内膜基质生长促进效果。在周期子宫内膜中,增殖期是基质快速再生时期。与这种现象一致,增殖期基质被认为为干细胞提供了有利的微环境,以快速替代细胞损失同时保持其干性。这一假设通过小鼠子宫内膜损伤模型进一步探索。
由于来自其他非生殖器官的水凝胶未能改善小鼠损伤子宫内膜的形态和功能,显然子宫内膜或全层子宫来源的ECM水凝胶在损伤部位显示独特的治疗活性。同一研究还强调,用子宫不同层(子宫内膜特定层与全层)处理时,再生子宫的差异调控基因谱,突出了精细依赖于组织来源的特定调控效果。
利用电凝小鼠子宫内膜损伤模型,评估了增殖期和分泌期EndoGel与或不与eMSC联合的治疗效果。与其他研究一致,单独使用EndoGel显示损伤子宫内膜形态再生的显著改善。然而,形态学良好再生的子宫内膜不是功能恢复的充分指标。生育能力测试显示,单独EndoGel组在恢复损伤部位可存活分娩数量方面效果有限。将eMSC纳入治疗改善了观察到的可存活分娩数量,突出了eMSC对功能恢复的重要性。结合体外实验结果,EndoGel通过提供更合适的干细胞微环境增强了eMSC的治疗效果。EndoGel的分泌因子和其他组成分子也可能参与创造促再生环境,与eMSC协同作用。
当损伤子宫内膜用PG或PGC处理时,观察到增殖基质细胞的显著增强。RNA-seq分析进一步证实了阶段特异性治疗效果。PG处理组中富集的代谢过程和组织发育可能有助于再生过程中观察到的增殖活性。据报道,碳酸酐酶通过维持受精的pH和离子平衡在子宫子宫内膜中起重要作用。我们的研究发现Car3和Car12在PGC和SGC组间差异调控。在小鼠子宫内膜中,已检测到几种CAR形式(包括CAR12)并在繁殖中发挥作用。EndoGel与eMSC的相互作用可能介导小鼠子宫内膜中再生子宫内膜细胞的特定功能状态。然而,当前研究仅检测到有限数量的DEGs。更早的收集时间点可能揭示阶段特异性EndoGel与eMSC在主动再生过程中的独特作用。未来研究每个月经期独特表达的蛋白质和EndoGel的机械特性可能揭示导致观察到的阶段特异性治疗效果的因子。或者,基于对天然阶段特异性子宫内膜组织的理解人工构建的生物材料将对治疗子宫内膜紊乱女性具有转化价值。
尽管脱细胞ECM水凝胶常用作研究模型,但ECM水凝胶凝胶化的确切机制仍不清楚。当前观点认为可能是由于丰富的调节因子(即糖蛋白和蛋白聚糖)在生理条件下可调节胶原片段自组装(交联),从而实现从液态到固态的转变。未来需要努力理解水凝胶模型中的可修改因子,通过修改或与其他材料组合定制具有所需生物力学特性的生物材料。
在小鼠子宫内膜损伤模型中,治疗在动情期移植。激素变化可影响水凝胶的机械特性以及封装细胞的行为。确定最佳递送时间可能促进EndoGel和eMSC更有效修复。此外,用蛋白质标记跟踪EndoGel可监测水凝胶在研究期间在周围组织中的降解、分布和相互作用。未损伤对照组和PBS组在腺体数量、基质增殖和血管生成方面缺乏显著差异表明电凝热损伤在破坏子宫内膜组织方面效率不高。热损伤可能变化较大,特别是对于较小样本量。未来研究将考虑使用化学诱导损伤(如乙醇)以实现更完全的子宫内膜破坏和解体。
EndoGel对eMSC的调控作用显示月经周期特异性,如体内外结果所示。尽管有这些功能观察,干细胞基质相互作用机制仍未知。未来应考虑表征eMSC上的特定整合素受体和粘附分子。另一个重要方面是体内宿主反应。由于水凝胶和干细胞可调节免疫反应,免疫调节效应也需要探索。
人子宫内膜阶段特异性基质对干细胞命运的相互作用将增强其作为个性化再生医学治疗干预的潜力。然而,这种方法的实际应用受到若干限制。应考虑伦理标准和安全评估,包括过敏反应和病原体传播风险。同时,制造过程的标准化和质量控制将保证产品一致性和功效。
据我们所知,这是首次比较不同月经期特异性脱细胞子宫内膜基质转化为水凝胶的研究。我们成功制造了EndoGel一种柔软、稳定的生物材料,与eMSC相容。EndoGel支持eMSC扩增和治疗功能揭示了组织ECM对组织来源干细胞的积极调控作用。我们的发现为开发多功能复合系统以增强子宫内膜再生提供了宝贵见解。
全层子宫内膜组织来自42-56岁因良性条件行腹部子宫切除术的妇女(n=25)。组织采集在含1% FBS、1% L-谷氨酰胺和1%青霉素-链霉素的DMEM/F-12收集培养基中。纳入标准包括有规律月经周期的绝经前妇女且至少3个月未接受激素治疗。根据病理报告将子宫内膜样本分为增殖期(n=18)和分泌期(n=7)。研究获得香港大学/医院管理局香港西集群审查委员会(UW20-465)和香港大学深圳医院机构审查委员会([2018]94)伦理批准。
脱细胞方案修改自已发表方法。子宫内膜组织用手术刀从下层肌层分离并切成小块(5 mm2)。加入等体积0.25% Triton X-100和0.25%脱氧胆酸钠在dH2O中的脱细胞缓冲液孵育。子宫内膜片与脱细胞缓冲液在37°C恒温摇动(160 rpm)孵育48小时。组织用新鲜PBS在4°C冲洗3天。组织与核糖核酸酶(RNase,100 μg·mL-1)和DNase I(150 IU·mL-1)在37°C恒温摇动(160 rpm)孵育48小时。最后PBS洗涤24小时后,组织储存于-80°C。
样本用2%戊二醛缓冲液在4°C固定过夜,并在梯度乙醇系列中脱水。样本用液态二氧化碳干燥后附着于铝桩进行金溅射涂层。图像用LEO 1530 FEG SEM(Zeiss)或Hitachi S-3400N可变压力扫描电子显微镜(Hitachi)在香港大学电子显微镜单元拍摄。
脱细胞和天然子宫内膜组织用4% PFA固定过夜,然后在70%乙醇中脱水进行石蜡包埋。石蜡包埋组织切片(5 μm)。进行H&E染色、阿尔新蓝(AB)染色和Masson三色(MT)染色。H&E染色切片脱蜡并用二甲苯和梯度乙醇复水。苏木精(Sigma-Aldrich)染色45秒,用自来水洗涤两次各5分钟。乙醇梯度脱水后,切片用伊红(Sigma-Aldrich)复染45秒,然后用无水乙醇处理三次各5分钟。切片用封片剂封片并风干。AB染色中,阿尔新蓝粉末(Sigma-Aldrich)溶解于3%乙酸至终浓度1%(w/v)。阿尔新蓝溶液用于复水切片染色30分钟,然后用核固红复染10分钟。MT染色由香港大学病理学系完成。
天然和脱细胞子宫内膜组织取样用于DNA提取使用DNA提取试剂盒(天根生物技术)。提取DNA的浓度和总质量用Nanodrop 2000分光光度计测量并归一化至组织块的湿重。
定量天然和脱细胞子宫内膜组织的ECM含量。记录3个样本的湿重并根据每个测定进行制备。硫酸化GAG(sGAG)数量使用Blyscan试剂盒(Biocolor)测量。木瓜蛋白酶提取试剂包括50 mL磷酸钠缓冲液(Na2HPO4-NaH2PO4,0.2 M,pH 6.4)、400 mg乙酸钠、200 mg EDTA二钠盐、40 mg半胱氨酸盐酸盐和5 mg木瓜蛋白酶(华生,中国)新鲜制备。样本(100 mg)在2 mL木瓜蛋白酶提取试剂中65°C消化过夜,离心后收集上清液。样本与sGAG标准品进行染料标记和释放过程。用ELISA读数器在595nm读取吸光度。每个样本的sGAG数量从标准曲线计算。可溶性胶原水平使用Sircol 2.0试剂盒(Biocolor)根据制造商协议测量。样本(100 mg)在1 mL 0.1 mg·mL-1胃蛋白酶/0.5 M乙酸缓冲液中4°C温和摇动消化过夜。离心后收集上清液。样本和胶原标准品通过染料标记和释放方法测量可溶性胶原含量。可溶性胶原浓度和总质量基于标准曲线计算。羟脯氨酸测定试剂盒(Cayman Chemical)用于测量总胶原含量。样本(100 mg)在1 mL H2O中匀浆,并用等体积10M NaOH在120°C水解1小时。水解细胞裂解样本(20 μL)在65°C加热干燥90分钟。羟脯氨酸被氧化(试剂1)为吡咯中间体,与Ehrlich试剂(试剂2)反应创建发色团,在595nm测量吸光度。羟脯氨酸标准品用于计算标准曲线。
EndoGel方案从已发表研究优化。简要来说,EndoMatrix在PBS中精细切碎后离心。去除上清后,沉淀在-20
生物通微信公众号
知名企业招聘