Une puce d'organe microfluidique modélise le col de l'utérus humain pour combler les principales lacunes en matière de santé des femmes

La vaginose bactérienne (VB) a été identifiée comme l'un des nombreux besoins non satisfaits en matière de santé des femmes et touche plus de 25 % des femmes en âge de procréer. Elle est causée par des bactéries pathogènes qui poussent les microbiomes sains du vagin et du col de l’utérus de la femme – le petit canal gardien qui relie l’utérus et le vagin – dans un état de déséquilibre appelé dysbiose.

Cette dysbiose déclenche alors une inflammation qui provoque non seulement un inconfort sévère, mais peut également entraîner une multitude de complications en aval, notamment un risque accru d'infection par le VIH et d'autres maladies sexuellement transmissibles, des taux plus élevés d'avortements spontanés et d'accouchements prématurés, comme ainsi que les maladies inflammatoires pelviennes et endométriales.

Jusqu'à présent, les seuls traitements contre la VB sont les antibiotiques, qui ne parviennent souvent pas à tuer les bactéries envahissantes dans le vagin et le col de l'utérus infectés. Les antibiotiques n’empêchent pas non plus la récidive de cette affection chez plus de 60 % des femmes. Bien que la VB ait été décrite pour la première fois il y a plus d’un siècle, les événements pathogènes qui suivent l’infection initiale restent très mal compris, ce qui contribue au manque de traitements plus efficaces contre la VB.

Aujourd'hui, comblant une lacune importante, une équipe collaborative de chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard et de l'Université de Californie Davis, dirigée par le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., a développé un humain microfluidique dans modèle vitro du tissu complexe du col de l'utérus, un col humain sur puce (Cervix Chip), qui surmonte les limitations majeures des modèles animaux existants et des modèles statiques in vitro.

Avec une fidélité et des détails sans précédent, la puce Cervix reproduit les interactions complexes entre les cellules épithéliales cervicales, la couche de mucus protecteur qu'elles produisent et le microbiome cervical dans son état sain ainsi que lorsqu'il est attaqué par des bactéries responsables de la VB.

Ces résultats sont publiés dans Communications naturelles.

Les chercheurs ont créé un modèle de puce d'organe de la paroi cervicale en cultivant des cellules épithéliales cervicales humaines dans l'un des deux canaux parallèles traversant un dispositif microfluidique de la taille d'une clé USB et en développant des cellules de fibroblastes cervicaux dans le canal adjacent.

Les canaux sont séparés par une membrane poreuse qui permet aux deux types de cellules de communiquer de la même manière que dans le corps d'une femme. Surtout, l’équipe a pu reconstituer les deux sections principales de la paroi cervicale en identifiant des conditions d’écoulement alternatives utilisées pour perfuser le canal épithélial avec un milieu, qui produisaient des signaux mécaniques spécifiques à une région.

Leur technologie Cervix Chip a permis à l’équipe de reproduire également la production de mucus du col de l’utérus et la façon dont les caractéristiques du mucus changent sous l’influence des hormones sexuelles, ainsi que des communautés microbiennes saines et pathogènes.

“Notre modèle de col de l'utérus ainsi que l'étendue et la profondeur de l'analyse qu'il permet établissent une nouvelle norme en matière de recherche qui est bien en ligne avec les observations cliniques existantes, tout en offrant de nouvelles informations sur la fonctionnalité et la vulnérabilité du col de l'utérus”, a déclaré le premier auteur Zohreh Izadifar, Ph. D., qui a dirigé le projet en tant que chercheur postdoctoral dans l'équipe d'Ingber et est maintenant membre du corps professoral de recherche du Boston Children's Hospital et de la Harvard Medical School (HMS).

Les réalisations de l’étude constituent une étape importante. Les chercheurs ont identifié la VB très répandue chez les femmes africaines comme un domaine hautement prioritaire, car elle augmente considérablement le risque de naissances prématurées et d'infection par le VIH sur le continent. Dans le but final de trouver des traitements urgents contre la VB, un consortium de recherche a été formé, comprenant Ingber ainsi que le co-auteur principal Carlito Lebrilla, Ph.D. à l'Université de Californie Davis.

“Dans cette étude, nous avons exploité les résultats critiques que nous avions obtenus dans une puce vaginale précédemment développée pour créer une plate-forme qui permet désormais aux chercheurs de trouver des réponses à d'autres questions de longue date sur la santé des femmes”, a déclaré Ingber. “La puce Cervix peut être utilisée aux côtés de la puce vaginale pour évaluer l'efficacité de nouveaux traitements potentiels sous la forme de produits biothérapeutiques vivants que d'autres membres de notre … consortium développent pour le traitement de la VB. Nous espérons également utiliser la puce pour identifier de nouveaux traitements pour d'autres maladies infectieuses de l'appareil reproducteur féminin.

Le col de la femme en haute résolution

Le canal cervical se compose de deux sections distinctes : le canal cervical inférieur, connu sous le nom d'exocol, menant au vagin, et le canal cervical supérieur, connu sous le nom d'endocol, qui se connecte à l'utérus. L'endocol produit la plus grande partie du mucus dans l'appareil reproducteur féminin inférieur, le déchargeant périodiquement avant de poursuivre son voyage selon un flux plus régulier à travers l'exocol et le vagin, qui produisent tous deux de moindres quantités de mucus supplémentaire.

Reflétant cette physiologie, l'équipe a découvert que l'exposition périodique de la puce cervicale à un écoulement de fluide l'amène à générer un mince épithélium monocouche typique de l'endocol, tandis que son exposition continue à un écoulement de fluide entraîne l'apparition d'un épithélium multicouche épais semblable à l'exocol. Sur la puce, les deux épithéliums cervicaux présentaient leurs modèles typiques d’expression génique.

Le mucus est une substance complexe constituée de protéines de mucine décorées de faisceaux très ramifiés de diverses molécules de sucre. Le collaborateur de l'équipe, Lebrilla, est un expert en chimie analytique et en biologie des sucres, et son équipe a entrepris une analyse « glycomique » approfondie des sucres composant le mucus produit dans le Cervix Chip dans différentes conditions. Cet effort commun a permis aux chercheurs de confirmer que les structures sucrées du mucus ressemblaient beaucoup à celles trouvées dans les échantillons prélevés sur les femmes.

Il est important de noter que le col modélisé a répondu aux concentrations d'hormones sexuelles typiques de la phase folliculaire du cycle menstruel en augmentant l'épaisseur, la teneur en eau et en modifiant les arrangements en sucre du mucus produit par rapport aux conditions hormonales lutéales. Il a également produit une réponse inflammatoire plus forte et réduit légèrement ses fonctions de barrière protectrice au cours de la phase folliculaire.

“Tous ces résultats reflètent étroitement la physiologie du col de l'utérus décrite à partir d'observations cliniques”, a déclaré Izadifar.

Étudier la BV dans la puce du col de l'utérus

Lors du développement de la VB, des bactéries pathogènes agressives migrent du vagin à travers le canal cervical jusqu'au col de l'utérus qui, grâce à sa production de mucus et à ses capacités de modulation immunitaire, fonctionne normalement comme un gardien contre les infections. Lorsqu’elles s’emparent des communautés bactériennes bénéfiques locales, une dysbiose apparaît. Les conséquences pathologiques de cette invasion sont étroitement associées à des altérations de la couche de mucus protecteur et à l’accès des bactéries pathogènes aux épithéliums sous-jacents.

Pour imiter les conditions microbiennes saines et pathologiques dans la puce cervicale, les chercheurs l'ont d'abord peuplée de bactéries Lactobacillus crispatus, qui dominent les microbiomes cervicaux sains. La bactérie L. crispatus a induit un épaississement de la couche de mucus et une amélioration de sa qualité, tout en laissant l'épithélium sous-jacent totalement intact pendant trois jours de co-culture. De plus, leur présence induit l’expression de protéines dans les cellules épithéliales cervicales qui participent à leur différenciation normale et à leur protection contre les agents pathogènes.

Lorsqu'ils ont plutôt peuplé la puce du col de l'utérus avec la bactérie Gardnerella vaginalis, responsable de la dysbiose, les fonctions de barrière de l'épithélium ont été gravement compromises. De plus, l’expression de protéines associées à des processus pathogènes, notamment l’inflammation, était significativement élevée.

“Fait intéressant, nous avons identifié des modifications spécifiques de la structure et du sucre du mucus qui pourraient aider à expliquer la détérioration de la qualité du mucus liée à la BV et pourraient indirectement avoir un impact sur les processus pathologiques en aval”, a déclaré Izadifar. “À l'avenir, notre approche ascendante pour reconstituer le col de l'utérus féminin et sa réactivité in vivo nous permettra d'étudier de manière approfondie la pertinence des composants tissulaires et microbiens distincts du col de l'utérus dans diverses pathologies.”

Les autres auteurs de l'étude sont Justin Cotton, Siyu Chen, Viktor Horvath, Anna Stejskalova, Aakanksha Gulati, Nina LoGrande, Bogdan Budnik, Sanjid Shahriar, Erin Doherty, Yixuan Xie, Tania To, Sarah Gilpin, Adama Sesay et Girja Goyal.