La ricerca sulla salute delle donne ha recentemente fatto un significativo passo avanti grazie ad un innovativo dispositivo microfluidico sviluppato dalle scienziate e dagli scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering presso l’Università di Harvard e dell’Università della California, Davis.
Questo innovativo “Cervix-on-a-Chip” (Cervix Chip) è progettato per replicare l’interfaccia epiteliale-stromale e le interazioni del microbioma della cervice su piccola scala, offrendo un nuovo potente strumento per studiare condizioni come la vaginosi batterica.
«Il nostro modello di cervice ingegnerizzato e l’ampiezza e la profondità di analisi che consente, stabiliscono un nuovo standard nella ricerca, offrendo al contempo nuove intuizioni sulla funzionalità e la vulnerabilità della cervice», ha dichiarato Zohreh Izadifar, PhD, il primo autore di un nuovo rapporto pubblicato in Nature Communications.
Il team ha modellato la parete cervicale facendo crescere cellule epiteliali cervicali umane in uno dei due canali paralleli che scorrono attraverso un dispositivo microfluidico delle dimensioni di una chiavetta USB e cellule fibroblastiche cervicali nel canale adiacente. I canali sono separati da una membrana porosa che consente ai due tipi di cellule di comunicare in modo simile a come avviene nel corpo di una donna. [Wyss Institute presso l'Università di Harvard].
Questo dispositivo microfluidico riesce a replicare il complesso ambiente tissutale della cervice, incluso il controllo della produzione del muco e la risposta agli ormoni, sia in condizioni normali che durante infezioni batteriche. È in grado di simulare il flusso continuo del muco dalla cervice verso la vagina, rispecchiando fedelmente le condizioni fisiologiche.
Una risposta ai problemi di salute riproduttiva
Nella maggior parte delle donne, la salute ottimale del tratto riproduttivo inferiore è caratterizzata da una relazione simbiotica con un microbioma cervico-vaginale dominato da Lactobacillus crispatus, che contribuisce alla stabilità dell’ambiente. Tuttavia, lo sviluppo della vaginosi batterica porta a una disbiosi in cui L. crispatus viene sostituito da una comunità non stabile di anaerobi, come Gardnerella vaginalis, con conseguenze significative sulla salute riproduttiva.
La vaginosi batterica colpisce oltre il 25% delle donne in età riproduttiva globalmente, aumentando il rischio di HIV e altre infezioni sessualmente trasmissibili, nonché di complicazioni come aborti spontanei, parto prematuro, e basso peso alla nascita.
Le attuali terapie antimicrobiche e probiotiche spesso falliscono nel lungo termine, con recidive che possono raggiungere il 50% entro un anno. Queste sfide sono in parte dovute alla limitata comprensione dei meccanismi sottostanti la disbiosi cervico-vaginale e dei suoi impatti sulla salute. I modelli in vitro e le analisi metagenomiche utilizzati finora non riescono a ricreare completamente il complesso microambiente tissutale e mucoso dell’apparato riproduttivo umano, ostacolando lo sviluppo di terapie più efficaci e mirate.
Per affrontare queste sfide, è essenziale sviluppare modelli in vitro più sofisticati della mucosa cervicale umana, capaci di riprodurre fedelmente le dinamiche fisiologiche e microambientali che influenzano la salute riproduttiva. Questi modelli potrebbero facilitare la ricerca su come le variazioni ormonali, l’ambiente microbico e altre influenze esterne interagiscono con la biologia del muco cervicale e influenzano la suscettibilità alle malattie riproduttive.
La creazione di una cervice in vitro
Il Cervix Chip offre un nuovo approccio per comprendere e trattare queste condizioni, permettendo uno studio dettagliato della risposta della cervice alle comunità microbiche sane e patogene. Il team di ricerca, guidato da Donald Ingber, MD, PhD, ha coltivato cellule epiteliali cervicali umane e cellule fibroblastiche in un dispositivo microfluidico delle dimensioni di una scheda SD. Il dispositivo è costituito da due microcanali separati da una sottile membrana porosa in polimero di gomma siliconica, otticamente trasparente. Questo setup mira a imitare le condizioni fisiologiche che regolano il flusso del muco cervicale, essenziale per studiare la dinamica mucosa e le interazioni con patogeni. Incorporando segnali meccanici specifici del microambiente cervicale, come la produzione e la rimozione continue del muco, il Cervix Chip offre una piattaforma ideale per esplorare come vari regimi di flusso influenzano il comportamento delle cellule epiteliali cervicali e la produzione mucosa.
I diversi regimi di flusso implementati nel chip, tra cui la perfusione continua e periodica dei mezzi di crescita, simulano il lento movimento del muco verso la vagina, simile al trasporto mucociliare e gravitazionale in vivo. Questa simulazione permette di studiare in dettaglio come le condizioni di flusso influiscano sulla funzionalità delle cellule epiteliali cervicali e sulla regolazione della produzione di muco, fornendo così un’importante piattaforma per analizzare le interazioni patologiche e testare potenziali trattamenti.
«Abbiamo sfruttato le scoperte critiche fatte con un Vagina Chip precedentemente sviluppato per creare una piattaforma che ora consente ai ricercatori di trovare risposte ad altre domande di vecchia data sulla salute delle donne», ha affermato Ingber.
Funzionalità e risposte in vivo
Il Cervix Chip ha replicato non solo la struttura, ma anche la funzione di una cervice reale. «Tutti questi risultati riflettono da vicino la fisiologia della cervice descritta dalle osservazioni cliniche», ha aggiunto Izadifar.
Successivamente, il team ha impiegato il Cervix Chip per esplorare le interazioni con microbiomi sani e stati infettivi. L’esposizione a batteri benefici come Lactobacillus crispatus ha evidenziato un miglioramento della qualità del muco e dell’integrità epiteliale nel dispositivo. Al contrario, l’esposizione a Gardnerella vaginalis, il batterio responsabile della vaginosi batterica, ha portato a funzioni di barriera epiteliale compromesse e all’espressione di proteine associate all’infiammazione. Durante queste analisi sono emerse modifiche specifiche nella struttura e nella composizione zuccherina del muco, potenzialmente rilevanti per comprendere il deterioramento correlato alla vaginosi batterica e i processi patologici ad esso associati.
Prospettive future
Il Cervix Chip non solo aiuta a comprendere meglio la vaginosi batterica, ma offre anche speranza per lo sviluppo di nuovi trattamenti per altre malattie infettive del tratto riproduttivo femminile. «Speriamo di utilizzare il chip per identificare nuovi trattamenti per altre malattie infettive del tratto riproduttivo femminile», ha concluso Ingber.
Questo lavoro rappresenta un significativo progresso nel campo della ricerca sulla salute delle donne. «In futuro, il nostro approccio bottom-up per ricostituire la cervice femminile e la sua reattività simile a quella in vivo ci consentirà di indagare in modo completo la rilevanza dei diversi componenti tissutali e microbici della cervice in diverse patologie», ha affermato Izadifar.
L’innovazione del Cervix Chip rappresenta un passo avanti fondamentale verso una comprensione più profonda e un trattamento più efficace delle malattie che influenzano la salute riproduttiva delle donne. Questa tecnologia non solo offre speranza per soluzioni personalizzate nel futuro, ma apre anche le porte a nuove scoperte nella ricerca biomedica.
Con il continuo sviluppo di questa tecnologia, stiamo entrando in un’era di progresso senza precedenti, che promette di trasformare radicalmente la cura della salute femminile.