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模拟牛子宫内膜的新芯片可以在牛的怀孕成功中发挥关键作用

为了研究可能危及牛妊娠成功的因素,巴西圣保罗大学 (USP) 的研究人员使用一种芯片来模拟子宫内膜的环境,子宫内膜是子宫内部的组织。该研究由圣保罗大学动物科学与食品工程学院 (FZEA-USP) 的博士后生物学家 Tiago Henrique Camara de Bem 与英国利兹大学的四名研究人员合作进行。他们的发现发表在内分泌学杂志的一篇文章中。

研究人员专注于分析母体上皮细胞和基质细胞中胰岛素和葡萄糖水平的变化,以及对妊娠初期发展的可能后果。上皮细胞是子宫内膜中最外部的。它们与管腔接触并与胚胎直接接触。基质细胞位于内部,作为支持细胞,指导上皮细胞的生长、分化和发育等功能。

该小组发现,高水平的葡萄糖改变了上皮细胞中的 21 个蛋白质编码基因和基质细胞中的 191 个,并引发了蛋白质分泌组(培养基中分泌的蛋白质,在这种情况下模拟子宫内膜液)的数量变化。 . “当我们改变培养基中葡萄糖和胰岛素的量,对细胞施加压力时,我们能够打开或关闭基因,确定它们是否表达,”Camara de Bem 说。

胰岛素水平的变化改变了 196 种蛋白质的定量分泌,但导致基因转录的改变有限。“关键因素可能是子宫液的蛋白质组成,这些细胞将蛋白质分泌到胚胎中,”他解释说。“我们发现这组蛋白质与在牛的早期妊娠成功中发挥重要作用的信号通路相关,与新陈代谢、细胞基质和其他因素有关。所有这些发现都证明了一种机制,即母体葡萄糖和胰岛素的改变可以影响子宫运作。”

Camara de Bem 得到了 FAPESP 的支持,通过博士后奖学金在分子形态生理学和发展实验室在 Flávio Vieira Meirelles 教授的监督下进行了一个项目,并获得了国外研究实习奖学金 (BEPE)。

压力

根据 Camara de Bem 的说法,巴西在牛胚胎生产方面处于世界领先地位,但流产率仍然很高。“我们的大部分胚胎是通过体外受精产生的。卵母细胞被收集、成熟、受精、培养并转移到同步受体。然而,40% 的怀孕在第三或第四周丢失,”他说,回忆起牛妊娠持续约九个月,就像人类一样。

生殖成功取决于许多条件。“怀孕是母亲和在母体子宫中发育的胚胎之间的相互作用,”Camara de Bem 说。“它涉及胚胎细胞和母亲细胞之间的串扰。这种交流受到多个过程的影响。当交流不正确时——当胚胎无法发出信号或母亲无法识别时,就会发生流产发育中的胚胎。”

他继续说,由于环境或营养问题,甚至是生产过程本身造成的压力,都会导致母体与胚胎之间的交流不稳定并破坏怀孕。就牛而言,高产奶牛的妊娠是主要问题,产后初期通常涉及由于母牛能量负平衡导致的代谢压力。

例如,葡萄糖是细胞代谢的基本底物。细胞需要葡萄糖来执行其功能。泌乳奶牛在生产牛奶时会经历代谢挑战。它们消耗大量能量,因为它们需要维持生物体的基本功能以及与产奶有关的所有功能。母亲的新陈代谢状态显着影响生殖。因此,我们专注于了解在接受胚胎的环境中引起代谢压力的因素。”

圣保罗研究基金会动物科学与食品工程学院博士后研究员兼生物学家 Tiago Henrique Camara de Bem

Camara de Bem 强调,这项研究是与利兹大学医学院教授、文章的最后作者 Niamh Forde 领导的小组合作进行的。“她正在研究母牛对妊娠的识别。我对研究胚胎发送给母体的信号很感兴趣。我们认为这将是一次很好的合作,并有了开发‘芯片上的子宫内膜’的想法用于多细胞培养,即从子宫内膜培养一种以上的细胞,”他说。

该芯片类似于组织学载玻片,不同之处在于它被分成多个小室——科学家在其中接种了两种类型的细胞的小室。隔板由多孔膜制成,可以在不同腔室中培养的两种细胞类型之间交换信息,但不允许细胞类型转换位置。该装置可以被认为是适合模拟子宫内膜的商业芯片。

“上皮细胞接种在上室,基质细胞在下室,”Camara de Bem 说。“两种细胞类型在子宫内膜中都很丰富。上腔室的培养基富含上皮细胞产生和分泌的因子,代表子宫内膜分泌组。”

该芯片使科学家能够不断地向细胞注入培养基。“我们将细胞培养了三天,在整个过程中[每分钟一微升,持续 72 小时]注射三种不同浓度的葡萄糖或两种不同浓度的胰岛素,”他说。“以模拟最佳培养基生理学的流动方式非常缓慢地施用营养素。这确保了细胞在整个实验过程中暴露于相同水平的葡萄糖和胰岛素。”

未来

该方法具有创新性,以前从未用于模拟牛子宫内膜。传统的细胞培养过于简单,无法模拟所有子宫内膜状况。“子宫内膜是三维的,有几种类型的细胞和腺体产生维持妊娠的因子和营养,”卡马拉德贝姆回忆道。“使用传统方法的体外胚胎培养是静态的,在不能反映动物有机体丰富度的环境中涉及单一细胞类型。你可以培养细胞,将胚胎转移给受体并产生健康的动物,但我们设定以尽可能接近生理现实的方式重新创建该过程。”

Camara de Bem 指出,他在利兹大学的合作伙伴正在开发其他类型的胚胎植入芯片。“该方法开辟了大量机会,未来我们希望能够将细胞和胚胎一起培养,以便准确地找出当培养基发生变化并与母体细胞交流时会发生什么。这是一个开端进行更多的应用研究,”他说。

该小组的工作还为研究哺乳动物(包括人类)的妊娠提供了一个潜在模型。“除了非人灵长类动物,小鼠是研究人类的主要模型。小鼠胎盘的形成与人类的过程最为相似。另一方面,与我们不同,小鼠有很多后代。在牛中,胎盘的形成非常不同与人类不同,但妊娠期相似,奶牛每次怀孕也只有一个后代。由于物种之间的差异,永远不会有一个理想的模型,但这可以是一个更多的模型,“他说。

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