《Materials Today Bio》：Recent Advances in Sex-Specific Reproductive Microphysiological Systems for the Systematic Evaluation of Assisted Reproductive Technology
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本文系统梳理了性别特异性生殖微生理系统在辅助生殖技术全流程中的应用，聚焦于其如何通过工程化分区、定量流体控制和稳定长期培养，提升体外模型的人类生理相关性，以解决传统二维培养和动物模型的局限性。文章详述了从配子前处理、体外受精到植入后胚胎发育的三大阶段模型，并探讨了整合多器官的生殖毒性评估平台。文末展望了集成数字传感器、人工智能及临床验证的未来方向，为生殖医学的精准化和个性化发展提供了重要视角。
在当今社会，全球约有8%至12%的夫妇受到不孕不育的困扰，这推动了临床对辅助生殖技术(ART)的依赖不断增加。然而，ART的整体效果仍受限于传统二维(2D)细胞培养和动物模型的生理保真度不足。微生理系统(MPS)作为一种具有增强人类生理相关性的体外平台，为破解这一难题带来了新希望。它能够通过工程化的分区、精确的流体流动控制和稳定的长期培养，重建复杂的生殖微环境。
生殖微生理系统的核心设计策略
构建一个有效的生殖MPS，需要综合考虑四大关键策略：材料选择、分区化、流体控制以及长期培养。
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材料选择：这包括设备基底材料和用于构建细胞微环境的水凝胶。常用的弹性体如聚二甲基硅氧烷(PDMS)透明度高、气体渗透性好，但易吸附疏水小分子如类固醇激素，可能影响内分泌反应的定量分析。热塑性塑料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)机械强度高、化学性质稳定，但气体渗透性较低。水凝胶则直接调节细胞行为，天然水凝胶（如胶原蛋白、纤维蛋白、基质胶）具有固有的生物活性，但可能存在批次差异和机械性能调控有限的问题；合成水凝胶（如明胶甲基丙烯酰、聚乙二醇基水凝胶）则提供更高的可重复性和机械性能可调性，但可能缺乏内在生物活性。
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分区化：为了优化特定细胞类型和发育阶段的条件，MPS架构采用了分区化设计。这主要通过多孔膜或基于水凝胶的微图案化来实现。多孔膜（如聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯膜）可垂直分隔细胞层，便于生化通讯，但可能影响高分辨率成像。水凝胶微图案化则允许在同一个焦平面上横向排列细胞，便于实时显微观察，但长期培养中维持水凝胶结构完整性是一大挑战。
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流体控制：精确的流体流动对于模拟体内的机械刺激（剪切应力）、确保营养供应和代谢废物清除至关重要。流体参数（如流动模式、通道几何形状）需严格遵循生理阈值。例如，小鼠胚胎暴露于超过其体内输卵管剪切应力（小于0.12 dynes/cm2）十倍的力（1.2 dynes/cm2）会导致死亡。因此，生殖MPS的设计不仅需验证平均剪切应力，还需关注最大剪切应力和内部结构引起的应力集中点。
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长期培养：生殖过程具有时间依赖性，长期培养能力是MPS建模的关键。人类男性精子发生约需64天，女性生殖系统则经历约28天的激素周期。这要求MPS能够提供稳定的微环境并施加所需的时序性刺激。同时，材料对激素的吸附、细胞外基质支架的降解以及伦理法规（如人类胚胎研究的“14天规则”）和经济成本也都是长期培养必须权衡的因素。
沿着ART时间轴的模型应用
围绕体外受精(IVF)这一核心步骤，ART过程可分为前IVF期、IVF期和后IVF期三个阶段，MPS为每个阶段都提供了创新的建模平台。
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前IVF模型：配子的生产、选择与成熟
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精子发生与选择：精子发生是一个复杂的多阶段过程。微流控系统通过精确控制流速，促进培养环境内的营养物质输送和废物排出。例如，利用静水压力驱动的无泵微流控回路，可以在无需外部动力的情况下支持小鼠睾丸组织培养和精子发生超过三个月。在精子选择方面，微流控技术提供了超越传统离心法的新思路。例如，受女性生殖道解剖结构启发的弯曲微流道芯片，能利用逆流筛选出高运动性的精子；而基于惯性微流控技术的螺旋通道分选系统，则可以从睾丸穿刺样本中分离出非活动精子，为严重少弱精症患者带来希望。
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卵泡发生与体外成熟：成功的卵泡体外培养需要模拟体内的三维细胞外基质环境和高效的激素营养供应。研究人员开发了能够将卵泡封装在具有刚度梯度的双层水凝胶（如藻酸盐外壳与胶原核心）中的微流控装置，以模拟卵巢组织的机械异质性，有效促进了卵泡发育。对于卵母细胞体外成熟(IVM)，动态微流控培养系统相比静态培养显示出优势。例如，在微流道中进行的动态IVM能降低氧化损伤，提高成熟率、受精率和囊胚形成率。
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IVF模型：受精
在受精阶段，微流控平台旨在促进配子间的自主相互作用。传统卵胞浆内单精子注射(ICSI)虽有效，但存在操作损伤和基于形态手工选择精子的局限性。微流控技术为模拟更自然的受精过程提供了可能。例如，“翻越障碍”式精子选择与IVF系统，通过设置物理屏障筛选出高活力精子，有效降低了多精受精率，提高了受精效率。
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后IVF模型：胚胎植入与早期发育
胚胎植入是一个高度协调的过程，涉及胚胎与子宫内膜之间复杂的分子对话。MPS能够重建这个动态界面。例如，有研究在微流控芯片中构建了包含子宫内膜上皮细胞、基质细胞和血管内皮细胞的三维模型，并引入机械拉伸来模拟子宫蠕动波，成功观测到胚胎附着和滋养层细胞出芽。在胚胎发育方面，动态培养环境的重要性尤为突出。模拟输卵管蠕动收缩的微流道设计，能显著提高胚胎的8-细胞发育率，表明物理刺激对胚胎发育至关重要。
迈向系统整合与未来展望
除了对特定生殖阶段进行建模，将生殖组织与全身其他模块（如肝脏、免疫系统）整合的多器官芯片和“人体芯片”方法，为系统性评估生殖和发育毒性提供了强大工具。这些平台特别关注性别依赖性的毒理学反应，推动了性别特异性医学在生殖健康中的应用。
展望未来，生殖MPS的发展有几个清晰的方向。近期重点在于集成数字传感器和人工智能(AI)，以实现多模态数据采集和决策支持。中期努力需聚焦于平台的标准化、可重复性验证和临床转化。长期目标则是开发可扩展的、具有治疗潜力的生殖组织和器官。总体而言，生殖MPS正成为连接生殖基础研究与临床可操作创新之间的桥梁，有望实现对生育力、植入能力和妊娠相关风险更精准的预测与建模。
