Орган-на-чипе воспроизвел менструальный цикл

Американские ученые создали микрофлюидный орган-на-чипе, симулирующий 28-дневный менструальный цикл. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Женская репродуктивная система отличается от других систем организма четкой цикличностью функционирования. Первая половина цикла начинается одновременно с менструацией и называется фолликулярной фазой. Во время нее в фолликуле яичника происходит созревание яйцеклетки, которое завершается примерно к средине цикла (в среднем на 14-й день). Фолликул в это время синтезирует в основном стероидный гормон эстрадиол. После созревания яйцеклетка выходит из фолликула (этот процесс называется овуляцией), а сам фолликул превращается в желтое тело, основным гормоном которого служит прогестерон, также имеющий стероидную природу и готовящий организм к возможному наступлению беременности — начинается вторая, лютеиновая фаза цикла. Если оплодотворения не происходит, желтое тело постепенно деградирует в течение примерно двух недель, после чего начинается следующий цикл. Все перечисленные фазы происходят под контролем циклично меняющегося уровня гормонов гипофиза, a первую очередь, фолликулостимулирующего (ФСГ) и лютеинизирующего (ЛГ).

Изменения секреции эстрадиола и прогестерона в разных фазах менструального цикла вызывают цикличные изменения в других отделах репродуктивной системы — маточных трубах, шейке матки, а главное, слизистой оболочке матки, или эндометрии, обновление которого в начале каждого цикла приводит к появлению менструальных кровотечений. Эти отделы, в свою очередь, сами вырабатывают сигнальные вещества, регулирующие цикл. Кроме того, метаболизм женских половых гормонов зависит от печени, которая, таким образом, принимает косвенное участие в течении менструального цикла.

Подобная цикличность работы женской репродуктивной системы и взаимное влияние ее отделов значительно усложняют ее моделирование при поиске новых лекарств, биохимических и токсикологических исследованиях. При этом подобные исследования крайне важны не только при разработке препаратов, действующих на половую систему (например, оральных контрацептивов), — они помогают понять, обладает ли какой-либо препарат токсическим действием на женский орагнизм, и если да, то каким именно.

Чтобы построить динамическую модель менструального цикла, сотрудники Северо-западного университета в Чикаго, Лаборатории Дрейпера и Университета Виргинии создали ряд микрофлюидных устройств, поддерживающих функционирование одной, двух или пяти различных тканей.

Предварительные эксперименты с наиболее простыми устройствами показали, что они могут обеспечивать созревание фолликулов в культуре и фрагменте яичника мыши с цикличной выработкой половых гормонов под действием запрограммированных перемен концентрации подаваемых в систему ФСГ и ЛГ.

Убедившись в этом, ученые разработали более сложную микрофлюидную систему, названную EVATAR, которая содержит пять различных тканей: яичника мыши с фолликулами (здоровую ткань человеческого яичника получить невозможно по этическим соображениям) и человеческих труб, тела и шейки матки, а также печени, объединенных общей циркуляцией и, следовательно, гормональным фоном.

При подаче циклически меняющихся концентраций ФСГ и ЛГ в питательный раствор, протекающий через систему, в ткани яичников наблюдалось созревание фолликулов и синтез ими стероидных половых гормонов, а также пептидов ингибинов, регулирующих выработку ФСГ, как при нормальном менструальном цикле. Соответствующие циклические изменения наблюдались и в других тканях под влиянием гормональной активности фолликулов (так, в маточных трубах происходило ускоренное сокращение ресничек, отвечающих за продвижение яйцеклетки, а в теле матки — пролиферация эндометрия). Единственным недостатком модели было отсутствие обновления эндометрия (то есть, собственно, менструации) в конце лютеинизирующего цикла, поскольку в нем отсутствовали кровеносные сосуды. Исследователи планируют реализовать это в следующем варианте органа-на-чипе.

«Ткани репродуктивной системы и периферических органов, интегрированные в микрофлюидную платформу, представляют собой мощный инструмент, обеспечивающий взаимодействие между органами и гормональную регуляцию, аналогичную менструальному циклу и беременности, что дает большие возможности для разработки лекарств и токсикологических исследований», — пишут авторы работы.

Совершенствование микрофлюидики, тканевой инженерии и других технологий позволяет создавать все более сложные искусственные органы для проведения разнообразных исследований. В ноябре 2016 года международный научный коллектив представил искусственно выращенную ткань кишечника, имеющую нервную систему и способную к самостоятельной перистальтике, которая стала одним из самых сложных на сегодняшний день искусственных органов.

Олег Лищук