Abstract The endocrine system dynamically controls tissue differentiation and homeostasis, but has not been studied using dynamic tissue culture paradigms. Here we show that a microfluidic system supports murine ovarian follicles to produce the human 28-day menstrual cycle hormone profile, which controls human female reproductive tract and peripheral tissue dynamics in single, dual and multiple unit microfluidic platforms (Solo-MFP, Duet-MFP and Quintet-MPF, respectively). These systems simulate the in vivo female reproductive tract and the endocrine loops between organ modules for the ovary, fallopian tube, uterus, cervix and liver, with a sustained circulating flow between all tissues. The reproductive tract tissues and peripheral organs integrated into a microfluidic platform, termed EVATAR, represents a powerful new in vitro tool that allows organ–organ integration of hormonal signalling as a phenocopy of menstrual cycle and pregnancy-like endocrine loops and has great potential to be used in drug discovery and toxicology studies.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is an energy sensor activated by increases in [AMP] or by oxidant stress (reactive oxygen species [ROS]). Hypoxia increases cellular ROS signaling, but the pathways underlying subsequent AMPK activation are not known. We tested the hypothesis that hypoxia activates AMPK by ROS-mediated opening of calcium release-activated calcium (CRAC) channels. Hypoxia (1.5% O(2)) augments cellular ROS as detected by the redox-sensitive green fluorescent protein (roGFP) but does not increase the [AMP]/[ATP] ratio. Increases in intracellular calcium during hypoxia were detected with Fura2 and the calcium-calmodulin fluorescence resonance energy transfer (FRET) sensor YC2.3. Antioxidant treatment or removal of extracellular calcium abrogates hypoxia-induced calcium signaling and subsequent AMPK phosphorylation during hypoxia. Oxidant stress triggers relocation of stromal interaction molecule 1 (STIM1), the endoplasmic reticulum (ER) Ca(2+) sensor, to the plasma membrane. Knockdown of STIM1 by short interfering RNA (siRNA) attenuates the calcium responses to hypoxia and subsequent AMPK phosphorylation, while inhibition of L-type calcium channels has no effect. Knockdown of the AMPK upstream kinase LKB1 by siRNA does not prevent AMPK activation during hypoxia, but knockdown of CaMKKβ abolishes the AMPK response. These findings reveal that hypoxia can trigger AMPK activation in the apparent absence of increased [AMP] through ROS-dependent CRAC channel activation, leading to increases in cytosolic calcium that activate the AMPK upstream kinase CaMKKβ.

Rationale : Recent studies have implicated mitochondrial reactive oxygen species (ROS) in regulating hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV), but controversy exists regarding whether hypoxia increases or decreases ROS generation. Objective : This study tested the hypothesis that hypoxia induces redox changes that differ among subcellular compartments in pulmonary (PASMCs) and systemic (SASMCs) smooth muscle cells. Methods and Results : We used a novel, redox-sensitive, ratiometric fluorescent protein sensor (RoGFP) to assess the effects of hypoxia on redox signaling in cultured PASMCs and SASMCs. Using genetic targeting sequences, RoGFP was expressed in the cytosol (Cyto-RoGFP), the mitochondrial matrix (Mito-RoGFP), or the mitochondrial intermembrane space (IMS-RoGFP), allowing assessment of oxidant signaling in distinct intracellular compartments. Superfusion of PASMCs or SASMCs with hypoxic media increased oxidation of both Cyto-RoGFP and IMS-RoGFP. However, hypoxia decreased oxidation of Mito-RoGFP in both cell types. The hypoxia-induced oxidation of Cyto-RoGFP was attenuated through the overexpression of cytosolic catalase in PASMCs. Conclusions : These results indicate that hypoxia causes a decrease in nonspecific ROS generation in the matrix compartment, whereas it increases regulated ROS production in the IMS, which diffuses to the cytosol of both PASMCs and SASMCs.