《Interdisciplinary Medicine》：Organoids and organ-on-a-chip models for investigating the pathophysiology of the human reproductive system
2 类器官与器官芯片技术
类器官是能在特定条件下自组织成复杂结构的三维（3D）培养物。这些模型发育成的组织，在结构和功能上与其所代表的器官高度相似。由诱导多能干细胞（iPSCs）或成体干细胞生成类器官的能力，已经彻底改变了生物医学研究。通过保留人类遗传背景，类器官为研究器官特异性生物学提供了一个真实的平台。
然而，基于类器官技术的当前系统并非没有局限性。大多数患者来源的类器官（PDOs）缺乏周围的基质细胞，而这些细胞对于完全重建肿瘤微环境至关重要。这些关键成分的缺失可能会阻碍其在临床预后应用中的有效性。为了弥补这些局限性，器官芯片（OoC）技术应运而生，成为下一代体外建模的创新范式。这些3D平台对于研究组织或器官对生物物理和生化线索的反应、阐明疾病机制、进行药物筛选以及研究器官间相互作用具有极高价值。OoC由微型化的微流体工具组成，包含微腔室、微通道和层流网络，可在高度模拟体内环境的条件下培养细胞。这项快速发展的技术具有成本效益、时间效率以及模拟体内环境能力等诸多优势。其流动条件允许重建精确控制的微环境，以模拟组织功能，整合物理和生化信号。
3 类器官与OoCs在生殖系统研究中的互补性
研究人员自21世纪初开始开发类器官技术，最初聚焦于肠道和脑模型，但该技术现已扩展到包括生殖组织在内的各种器官类型。在生殖医学中，这些先进模型对于揭示如子宫内膜异位症、多囊卵巢综合征（PCOS）和男性不育等疾病的机制至关重要。
OoC是一种微流体设备，将活细胞整合到工程化的3D环境中，模拟器官的机械和生物学功能。该系统在体外创建功能性器官单元，模拟复杂的相互作用，如细胞-细胞、细胞-细胞外基质（ECM）、细胞-流体流动和细胞-机械力。通过精确控制细胞生态位，为研究人类生物学的潜在机制提供了一个强大的平台。除了单器官模型，多器官芯片系统正在推动系统性疾病和器官间相互作用的研究。将多个器官等效物整合到一个多OoCs中，将增强我们对妊娠期间和之后系统相互作用的理解。此外，血管成分的加入有望进一步增强这些模型的真实性。生物工程和计算模型的进步将继续实现对生殖过程更复杂的模拟。类器官和OoCs在生殖系统病理生理模型中的潜力，为推进诊断、治疗选择和整体生殖健康护理带来了巨大希望。
4 女性生殖系统模型
利用类器官和OoCs的优势来解决传统模型的局限性，强调它们在模拟女性生殖系统中的应用非常重要。女性生殖系统是一个复杂的网络，其核心功能单元——卵巢、输卵管（FTs）、子宫和宫颈——形成一个整合轴，支配着内分泌-外分泌的协调。
4.1 卵巢类器官
卵巢类器官已成为研究卵泡发育、排卵和生育能力的关键工具。它们也越来越多地用于模拟卵巢癌（OC），为了解癌细胞如何与卵巢微环境相互作用提供了见解。通过从患者身上获取小部分肿瘤组织，并在实验室条件下生成与原发性肿瘤高度相似的类器官，这些模型保留了肿瘤的遗传和表型多样性。
卵巢类器官是模拟卵巢功能、生成功能性卵母细胞和评估药物安全性的宝贵模型。使用胚胎卵巢原基作为材料，通过荧光激活细胞分选分离雌性生殖干细胞，并应用包含干细胞因子、白血病抑制因子和抗坏血酸的特定培养基，在体外建立长期稳定的雌性生殖干细胞（FGSC）系。该培养方法采用Matrigel作为3D支架，其主要由天然ECM成分（如胶原蛋白IV、层粘连蛋白和巢蛋白）组成，紧密模拟卵巢ECM。
4.2 子宫内膜类器官
在女性生殖过程中，子宫内膜作为子宫的黏膜层，在整个月经周期和妊娠期间经历动态变化。在月经周期中，在雌激素和孕激素的影响下，子宫内膜功能层经历周期性再生、分化和脱落。在妊娠期间，子宫内膜是胚胎植入的部位，并为胚胎发育提供营养支持。
子宫内膜类器官可以复制子宫内膜脱落和修复的自然周期，使其成为研究激素失衡如何导致生殖疾病的宝贵工具。已经开发出长期稳定的人子宫内膜类器官培养系统。该系统允许从非妊娠子宫内膜和蜕膜化组织衍生类器官。培养的子宫内膜类器官形成的结构与体内子宫内膜腺体高度相似。
4.3 宫颈黏液芯片
OoC平台复制体外黏膜生理学，芯片衍生的分泌物能够进行全面的下游检测，用于生化表征和结构评估。目前，宫颈黏液芯片模型主要用于分析精子运动动力学，通过优化配子选择方案，为辅助生殖技术提供临床应用。作为精子进入女性生殖道的门户，宫颈充满宫颈黏液，它是宫颈微环境的主要生理成分，并作为精子的液体屏障。
4.4 胎盘模型
类器官和OoCs已成为模拟胎盘发育和功能的宝贵工具，为研究先兆子痫和妊娠期糖尿病等胎盘功能障碍起关键作用的疾病提供了重要见解。虽然胎盘类器官在复制胎盘生物学的某些方面显示出前景，但仍需要进一步努力以更好地模拟滋养层细胞、内皮细胞和母体免疫系统之间复杂的细胞相互作用。
类器官模型在研究胎盘健康方面已显示出巨大潜力，特别是在理解妊娠早期滋养层细胞自我更新和分化的调控机制方面。通过优化培养条件，可以成功建立滋养层类器官（TOs）并长期稳定培养。这些类器官有效地复制了滋养层细胞的自我更新和分化过程，为胎盘生理学提供了宝贵的见解。
5 女性生殖系统病理生理模型
生殖生物学最具变革性的进展之一是能够使用类器官和OoCs模拟病理状况。这些体外平台使研究人员能够在细胞和分子水平上研究疾病，为疾病机制、药物反应以及潜在治疗靶点的识别提供关键见解。
5.1 子宫内膜异位症
子宫内膜异位症是一种慢性炎症性疾病，大约影响6%–10%的育龄妇女。其特征是子宫外存在子宫内膜样组织，常导致不孕、慢性盆腔疼痛和生活质量显著下降。
5.2 癌症
癌症常在晚期才被诊断出来，使得治疗具有挑战性。来自卵巢组织的类器官可用于研究化疗耐药性和肿瘤转移的潜在机制。通过模拟肿瘤微环境，研究人员可以识别可能改善患者预后的新型生物标志物和药物靶点。
5.2.1 卵巢癌
卵巢癌包括多种亚型，其中高级别浆液性癌（HGSC）是最常见的，起源于输卵管或卵巢表面的上皮细胞。手术和化疗是目前卵巢癌的主要治疗方法，但许多患者最终会复发或产生耐药性，这凸显了需要更精确的治疗策略以提高疗效并减少副作用。
5.2.2 宫颈癌
研究团队开发了一种具有3D支架的多通道细胞芯片，其中不仅包括人胶质母细胞瘤细胞、正常肝细胞和正常肺细胞，还包括宫颈癌细胞。这种设计使得能够跨多种细胞类型同时进行药物筛选。
5.2.3 子宫内膜癌
绝经后女性子宫内膜癌微生物组的组成具有独特特征，可能与疾病的发生和发展有关。缺氧诱导因子（HIF）信号通路在肿瘤细胞适应缺氧条件中起关键作用，并与癌症进展、转移和耐药性相关。
5.2.4 阴道癌
尽管阴道癌相对罕见，但使用类器官技术研究这种疾病是可行的。阴道癌类器官可以从患者的鳞状细胞癌样本中建立，提供一个高度模拟体内环境的模型。
5.2.5 外阴癌
外阴癌主要表现为鳞状细胞癌，通常由高危人乳头瘤病毒感染驱动。外阴癌类器官可以复制这种癌症类型的关键病理特征，包括TP53、RB1、PIK3CA和PTEN中的常见突变。
5.3 多囊卵巢综合征
多囊卵巢综合征（PCOS）是育龄妇女中常见的内分泌疾病，以雄激素水平升高为特征。这种雄激素过多不仅破坏卵巢功能，还可能对子宫内膜产生负面影响，导致不孕和其他并发症。
5.4 先兆子痫
先兆子痫损害胎盘灌注，导致胎儿缺氧和营养剥夺，可能进展为宫内窘迫或致命的发育障碍。虽然先前的胎盘屏障芯片模型已被提出适用于研究与子宫胎盘缺氧相关的疾病，如先兆子痫，但很少有OoC模型直接模拟先兆子痫的病理生理学。
6 男性生殖系统模型
尽管早期工作集中在女性生殖类器官，但近年来男性生殖模型的研究进展加速。相关技术已在模拟男性生殖疾病、药物筛选和研究生殖生理机制方面显示出显著潜力。
6.1 前列腺类器官
前列腺癌（PCa）类器官作为一种新型的体外临床前疾病模型，能有效模拟体内微环境和遗传特征，应用前景广阔。这些类器官可用于模拟恶性肿瘤，从而能够筛选基因突变、预测抗癌药物的敏感性或耐药性，并作为研究雄激素剥夺治疗耐药机制的有效模型。
6.2 睾丸
作为男性生殖系统的关键组成部分，睾丸不仅负责精子生产，而且是睾酮等雄激素的主要来源。这些激素对于维持男性第二性征和整体健康至关重要。
6.3 附睾
由于附睾和输精管的双侧阻塞，超过97%的囊性纤维化男性患者不育。囊性纤维化跨膜电导调节因子（CFTR）作为一种多功能氯离子/碳酸氢盐转运蛋白，受环磷酸腺苷（cAMP）介导的磷酸化级联反应调控。
6.4 尿道芯片模型
男性尿道输送精液和尿液，是内生殖器官的组成部分。约0.1%的男性患有尿道狭窄，主要由特发性原因、医疗程序、感染或创伤引起。
7 模拟男性生殖系统疾病
7.1 前列腺癌类器官
患者来源的类器官（PDOs）是从组织或肿瘤特异性干细胞衍生而来，在体外保持原始肿瘤的遗传特征。这些类器官保留了患者组织的结构和功能，有效地复制了其固有的异质性。
7.2 不育症
7.2.1 精子分选芯片
人类宫颈黏液是一种天然存在的具有高粘度的液体、离子和化合物的混合物。为了模拟这种环境，开发了一种基于微控制器的微流体系统，能够从人类精液中筛选高质量精子。
7.2.2 非梗阻性无精子症
非梗阻性无精子症（NOA）约占男性不育病例的60%，影响大约15%的夫妇。目前的治疗通常涉及手术取精，随后进行体外受精和卵胞浆内单精子注射，但成功率仍然很低。
7.3 精子发生和精子成熟
进入女性生殖道后，精子经历一系列复杂过程以向卵母细胞移动。这些过程涉及物理和化学因素的组合，帮助精子在生殖系统的动态环境中定位卵子。
8 共培养系统
8.1 胎儿-母体复合模型
在生殖医学研究中，胎儿-母体聚合模型的发展已取得显著进展。通过将人胚胎干细胞（hESCs）衍生的胚胎体与顶向外的子宫内膜类器官（包含上皮细胞、基质细胞和具有暴露顶端的内皮网络）进行共培养，成功创建了一个模型。
8.2 子宫内膜组装体
胚胎植入是人类生殖过程中的关键阶段。在妊娠早期，子宫内膜经历一系列复杂而精细的变化以适应胚胎，这一过程称为蜕膜化。
9 多器官芯片
9.1 双生殖器官芯片
开发了一种双生殖器官芯片模型，通过培养基通道连接卵巢和子宫内膜腔室。这种设计通过激素和细胞因子的扩散促进了两个腔室之间的内分泌相互作用。
9.2 多器官微流体平台
当前的体外和动物模型在化学风险评估和药物开发方面面临显著局限性。这些模型缺乏人类器官的复杂性，使得将实验结果直接转化为准确的人类健康评估具有挑战性。
10 挑战与局限性
尽管类器官和OoCs在推进生殖研究方面前景广阔，但在准确模拟人类生殖系统的复杂性方面仍面临重大挑战。
10.1 缺乏免疫系统整合
当前类器官和OoCs的一个主要限制是缺乏完全整合的免疫系统。像子宫内膜异位症和生殖系统癌症这样的疾病通常与免疫功能障碍有关。
10.2 无法模拟激素调节和周期性变化
生殖系统的正常功能依赖于复杂而精确的激素调节和周期性变化。然而，当前的类器官和OoC模型难以模拟这些动态的激素波动。
10.3 多细胞类型相互作用和3D微环境重建的缺陷
虽然OoC系统在整合各种细胞类型以复制复杂组织结构方面取得了进展，但在体内模拟如子宫内膜异位症等疾病所涉及的所有细胞相互作用仍然具有挑战性。
10.4 缺乏血管化和器官间通信
血管系统在维持器官生理功能方面发挥着不可或缺的作用，促进营养交换、气体转移和废物清除。然而，大多数当前的类器官和OoC模型缺乏类似体内的复杂血管网络，这阻碍了细胞的长期存活和功能。
10.5 微流控器件制造中的材料限制
聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其优异的特点，如光学透明性、气体渗透性和易于原型制作，仍然是OoCs制造中最常用的材料。
11 未来方向与潜在解决方案
尽管挑战依然存在，类器官和OoCs在准确复制人类生殖系统方面提供了重大希望。随着技术和方法论的不断进步，一些有前景的方法正在涌现，可以极大地增强这些模型。
11.1 免疫细胞的整合
将免疫细胞成功整合到类器官和OoC模型中，是推进生殖医学研究的关键未来方向。通过构建高度模拟真实生理条件的免疫微环境，研究人员可以更深入地了解免疫细胞如何与生殖系统细胞相互作用。
11.2 增强的激素建模
另一个有前景的发展是激素调节的增强建模。通过将激素反应元件整合到类器官和OoC模型中，研究人员旨在更准确地模拟激素波动。
11.3 用于系统性疾病建模和药物筛选的集成多器官和高通量平台
多OoC建模技术和高通量筛选技术的结合，不仅解决了生理器官间缺乏相互作用的问题，而且克服了小规模低通量检测效率低下的问题，为生殖系统研究带来了协同高效的工具组合。
11.4 人工智能在类器官和OoCs多样化应用中的潜力
人工智能在类器官和OoC技术中的应用前景广阔。通过整合这些技术，可以显著提高其在药物开发、疾病建模和个性化医疗方面的效率。
11.5 微流控器件的替代材料
鉴于PDMS的局限性，人们已投入大量努力寻找能更好模拟生殖器官微环境的替代材料。
11.6 类器官来源的细胞外囊泡在生殖建模和治疗中的潜力
最近的研究表明，类器官来源的外泌体（oEVs）是理解细胞间通信和建立新治疗技术的有用工具。
11.7 OoC平台认证与标准的全球发展
监管机构需要强有力的认证和标准化，以将OoC技术从前沿研究工具转变为经过验证和批准的平台。
12 结论
类器官和OoCs正在开启生殖系统研究的革命，提供了前所未有的工具和视角，以加深我们对其复杂生物学和病理学机制的理解。这些技术在研究如卵巢癌、子宫内膜异位症、多囊卵巢综合征、前列腺癌和男性不育等疾病方面已被证明具有无可估量的价值。它们推进治疗研究的潜力是巨大的。然而，必须承认仍然存在重大挑战，特别是在准确复制生殖功能所必需的激素、免疫和血管系统方面。尽管存在这些障碍，持续的技术创新和正在进行的研究正在推动这些模型的边界。随着它们的不断发展，它们无疑将成为基础和转化研究中的强大工具，并有可能彻底改变生殖系统疾病的诊断、药物开发和个性化医疗。这些领域取得的进展为改善人类生殖健康带来了新的希望，为治疗影响全球数百万人的生殖疾病和障碍开辟了新的可能性。生殖医学的未来正处于转型之中，类器官、OoC系统和人工智能驱动技术将在这一演变中发挥核心作用。
