《Materials Today Bio》：Exploring Endometriosis Through 3D
In Vitro Models: A Narrative Review
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这篇综述系统梳理了用于子宫内膜异位症研究的六类主流3D体外模型，包括细胞球体(Spheroid)、类器官(Organoid)、微流控器官芯片(Microfluidic system)、生物打印(Bioprinting)、鸡胚绒毛尿囊膜(CAM)及外植体(Explant)模型。文章详细对比了各类模型的构建方法、核心发现及其在模拟疾病关键特征（如侵袭、血管生成、激素反应）方面的优劣，并探讨了模型在转化应用与个性化医疗中的潜力与挑战，为深入解析疾病机制和开发新疗法提供了全面视角。
探索子宫内膜异位症的3D体外模型：一篇全面的叙事性综述
子宫内膜异位症是一种影响约十分之一育龄女性的慢性炎症性疾病，其特点是子宫内膜样组织在子宫腔外生长。尽管发病率高，但其病理机制仍不明确，治疗选择有限。可靠的疾病模型对于深入研究其机制至关重要。本综述旨在全面概述现有的子宫内膜异位症3D体外模型，聚焦于其演变、优化及其在理解疾病机制和药物筛选中的应用。
1. 3D体外模型的重要性
传统的二维细胞培养模型缺乏组织样结构，而动物模型在生殖生理上与人类存在显著差异。相比之下，3D体外模型能更好地复制病变复杂的微环境，保留细胞间相互作用、空间组织和细胞外基质组成，从而获得更贴近生理状态的结果。这些模型为在受控微环境中培养患者来源的材料提供了可能，有助于实现个性化医疗和更精确的疾病分层。
2. 用于研究子宫内膜异位症的3D体外模型
2.1. 细胞球体
细胞球体是一种无支架系统，由细胞自聚集形成，能紧密模拟天然组织中的细胞相互作用和结构组织。在子宫内膜异位症研究中，常用上皮和基质细胞系构建球体。例如，Brueggmann等人于2014年首次使用卵巢子宫内膜异位症上皮细胞系EEC16和细胞系12Z，在polyHEMA包被的培养板中生成球体，发现与2D培养相比，3D球体中促血管生成信号增强。Stejskalová等人利用悬滴法生成由12Z细胞、基质细胞系St-T1b或原代子宫内膜异位症基质细胞组成的球体，证实了基质球体在迁移、侵袭和基质重塑方面的独特行为，并展示了通过外部因子（如MMP或ROCK抑制剂）调控其行为的可能性。Song等人于2023年开发了由12Z细胞包裹永生化子宫内膜囊肿基质细胞系或健康子宫成纤维细胞系组成的共培养球体模型，用于模拟腹膜侵袭，并发现炎症相关基因表达上调。这些模型特别适合研究多细胞子宫内膜聚集物在早期病变建立过程中的附着、穿透行为以及驱动3D侵袭的信号通路。
2.2. 类器官
类器官是从组织中分离的细胞在基质胶等材料支持下形成的自组织3D复杂结构，能更好地代表起源器官的生理和功能特征。Boretto等人在2019年首次建立了来自子宫内膜异位症所有异位植入部位和所有严重程度分期的患者来源类器官。这些异位类器官再现了病变的多个表型特征，并显示出PI3K-AKT、WNT和Hippo等信号通路的改变。Esfandiari等人利用类器官模型分析了同源框基因及其辅因子的DNA甲基化模式，发现表观遗传变化在类器官中得以保留。他们还利用该模型揭示了子宫内膜异位症中孕酮受体亚型B通路在分子水平上的破坏，这与临床观察到的孕酮抵抗现象相符。Zhang等人在2025年开发的类器官模型则成功再现了原生子宫内膜组织的特征，并表现出对雌激素和孕激素的浓度依赖性反应。类器官模型在研究生殖、激素通路与反应、表观遗传学以及疾病异质性方面具有独特优势。
2.3. 微流控器官芯片模型
微流控器官芯片模型是在微通道中培养活细胞，并精确调控流体、营养交换和机械力的微型工程系统，可模拟整个器官的生理活动和响应。Chen等人在2011年建立了一个静态的PDMS通道模型，共培养原代子宫内膜基质细胞和腹膜间皮细胞，研究发现腹膜的“健康”状态在子宫内膜异位症建立中起关键作用。该团队还开发了一种基于液滴的微流控平台，用于分析腹膜液样品，发现了子宫内膜异位症组织中MMP-2和ADAM-9活性的降低。Altayyeb等人建立的微流控平台则用于表征子宫内膜异位症基质细胞的机械性能，发现其与健康细胞相比变形性增加、刚度降低。Kapur等人于2023年提供了一个带有3D管腔的器官芯片模型，用于测试氧化磷酸化抑制剂对子宫内膜异位症细胞的影响。这些系统将模拟组织微环境与可控流体动力学相结合，具有样品需求量小、分辨率高、分析快速、灵敏度高以及适合高通量筛选等优点。
2.4. 生物打印
3D生物打印是一种利用生物墨水打印包含特定细胞或组织、以构建生物工程结构的技术。根据策略不同，主要分为挤出式、激光辅助式和喷墨式生物打印。生物墨水的配方（如使用藻酸钠、透明质酸、 GelMA、PEG或脱细胞ECM等）对其流变学特性、机械性能（如刚度、孔隙率）和生物学功能至关重要，需要根据模拟的子宫内膜异位症类型（如深部浸润型子宫内膜异位症的纤维化特征）进行定制。尽管在子宫内膜异位症研究中应用尚少，但已有研究通过挤出式生物打印成功观察了子宫内膜基质和上皮细胞的活力、增殖和ECM重塑。此外，Wendel等人的研究展示了一种无需支架、基于细胞球体的生物打印方法，将12Z细胞与子宫内膜基质细胞球体进行3D排列并融合成连续组织。生物打印能实现高度的空间控制和重复性，但该技术复杂度高，优化过程耗时且昂贵，并且通常缺乏血管化，限制了长期培养。
2.5. 鸡胚绒毛尿囊膜和羊膜培养
鸡胚绒毛尿囊膜是绒毛膜与血管化的尿囊膜融合形成的胚外组织膜，含有丰富的细胞外基质成分，是研究血管生成的经典模型。虽然其在子宫内膜异位症研究中应用有限，但为研究病变植入和血管生成过程提供了一个简单、可重复且成本效益高的替代平台。例如，研究已将其用于评估抗血管生成药物的筛选。羊膜模型则被用于研究子宫内膜细胞与ECM的相互作用。这些模型有助于桥接基于细胞的分析和基于动物的实验。
2.6. 外植体
外植体模型是指从母体组织中获取的片段，在体外或移植到其他载体中进行培养。它们保留了天然的组织结构和细胞相互作用，被广泛用于评估靶向治疗中的组织活力。例如，子宫内膜外植体可以在纤维蛋白基质中生长和侵袭，形成腺体、基质和血管，用于研究血管生成、基质金属蛋白酶活性和早期病变阶段。外植体模型在维持组织架构方面具有高度生理相关性，但其长期存活能力有限，受营养供应制约，并且由于依赖新鲜的病变组织和供体间的生物差异，可扩展性和高通量潜力较低。
3. 局限性与当前挑战
每种模型都有其局限性。细胞球体通常只反映有限的表型范围，且微环境复杂性不足，缺乏血管化。类器官虽能反映疾病异质性，但 uniformity 和可重复性有限，成本较高，且常缺乏基质成分。微流控系统技术复杂，对专业设备和知识要求高，初始成本高。生物打印技术复杂度极高，优化耗时费钱，且通常缺乏血管化。外植体模型无法模拟关键的全身性影响（如激素周期），长期活力有限，可扩展性差。鸡胚绒毛尿囊膜模型则存在实验窗口短、胚胎发育可变性大以及伦理考量等挑战。
4. 未来方向与展望
未来的努力方向在于增强模型的生理相关性。这包括开发混合模型以整合不同技术的优势，例如将生物打印与微流控结合以构建灌注系统，或将球体模型与鸡胚绒毛尿囊膜模型结合以共同研究侵袭和血管生成。在类器官中引入共培养系统，纳入基质细胞、免疫细胞和内皮细胞，将能更好地模拟病变微环境。将CRISPR-Cas9基因编辑技术整合到3D模型中，有助于在体外研究特定基因的功能。基于干细胞的3D模型，特别是利用子宫内膜或骨髓来源的间充质干细胞，为研究病变形成和细胞分化提供了新工具。将患者原代细胞按疾病亚型分层纳入3D模型，有助于系统性评估分子机制和靶点，推动精准医疗。人工智能与计算模型的整合，则有望在疾病诊断、多组学数据分析、预测模型构建以及增强3D模型工作流的可重复性和定制化方面发挥重要作用。
5. 结论
3D体外模型通过更准确地模拟人体子宫内膜异位症的复杂微环境和病理过程，显著推进了对该疾病的理解。尽管目前尚无任何模型能完全复制疾病的所有复杂性，且每种模型都有其特定的优缺点，但这些模型 collectively 为剖析疾病机制、发现新治疗靶点以及进行临床前药物筛选提供了强大而多样化的平台。通过跨学科合作，整合生物工程、计算建模和人工智能，未来有望开发出更精准、更个性化的疾病模型，最终为改善子宫内膜异位症患者的诊断和治疗策略带来希望。
