生物工程化 3D 卵巢模型：女性健康管理与生殖的关键技术
Bioengineering 发表的系统综述，全面梳理生物工程化 3D 卵巢模型（卵巢类器官/人工卵巢）在女性健康管理和生殖医学中的最新进展。
卵巢分泌的雌激素 E2 和孕激素 P4 在人体各系统中的功能：神经系统、心血管系统、生殖系统和骨骼结构
一、背景与意义
1.1 卵巢功能障碍的威胁
生殖健康：
- 卵巢功能衰竭导致不孕（无法产生可受精卵子）
- 卵巢早衰（POI）影响约 1% 的女性
内分泌健康：
- 卵巢产生雌激素和孕激素
- 这些激素不仅维持妊娠，还对心血管、骨骼和认知健康至关重要
- 雌激素和孕激素水平下降可导致：
- 更年期综合征
- 骨质疏松症
- 心血管疾病
- 阿尔茨海默病
1.2 传统模型的局限
| 模型 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 动物模型 | 完整生理系统 | 种属差异、伦理问题 |
| 2D 细胞培养 | 操作简单 | 缺乏 3D 结构、无法模拟卵巢复杂动态 |
1.3 3D 卵巢模型的优势
- 更忠实模拟卵巢组织组织和细胞行为
- 包含多种细胞类型（基质细胞、神经细胞、血管、免疫细胞）
- 支持更好的自组织和体外细胞互作
- 适用于生理和病理条件研究
二、卵巢生理与细胞组成
卵巢类器官的定义和细胞来源：从卵巢组织或多能干细胞生成
2.1 卵巢结构
卵巢皮质：
- 含有卵泡（原始卵泡、初级卵泡、次级卵泡、窦卵泡）
- 卵母细胞在出生时即形成原始卵泡库
- 卵泡发育是一个多阶段过程
卵巢髓质：
- 血管、神经、结缔组织
- 支持卵泡发育的营养供应
2.2 卵泡发育
| 阶段 | 特征 | 时间 |
|---|---|---|
| 原始卵泡 | 卵母细胞 + 单层扁平颗粒细胞 | 出生时 |
| 初级卵泡 | 单层立方颗粒细胞 | 持续数月 |
| 次级卵泡 | 多层颗粒细胞 | 持续数月 |
| 窦卵泡 | 形成卵泡腔 | 月经周期中 |
| 成熟卵泡 | 排卵前的最终阶段 | 月经周期中 |
2.3 关键细胞类型
- 卵母细胞：生殖细胞，减数分裂
- 颗粒细胞：支持卵母细胞发育，分泌激素
- 膜细胞：产生雄激素前体
- 基质细胞：提供结构支持
- 表面上皮细胞（OSE）：卵巢表面覆盖
三、3D 卵巢模型构建策略
3.1 细胞来源
卵巢组织来源：
- 皮质组织活检
- 分离的卵泡
- 女性胎儿性腺
- 从卵巢组织分离的原代细胞
多能干细胞（PSCs）：
- 胚胎干细胞（ESCs）
- 诱导多能干细胞（iPSCs）
- 分化为生殖细胞系和性腺体细胞系
3.2 小鼠突破性成果
Yoshino 等人的里程碑研究：
- 从小鼠 PSCs 体外生成功能性 MII 卵母细胞
- mPGCLCs（原始生殖细胞样细胞）+ mFOSLSs（卵巢性腺体细胞样细胞）
- 共培养后形成原始卵泡并发育至次级阶段
- 体外受精率 30.2%，产下 11 只健康小鼠
3.3 人类研究进展
- hPGCLCs 可从人类 PSCs 分化
- 但效率因 PSC 系而异
- 尚未实现完全体外配子发生
四、体外卵泡发生
体外卵泡发生的多步培养系统
4.1 多步培养系统
McLaughlin 方案：
- 第一步：0.5 mm³ 卵巢皮质碎片培养 8 天
- 第二步：分离次级卵泡 + 100 ng/mL Activin A 培养 8 天 → 形成窦卵泡
- 第三步：收集卵丘-卵母细胞复合体 → 体外成熟获得 MII 卵母细胞
Xu 方案：
- 第一步：更小的卵巢皮质碎片（0.014 mm³）
- 第二步：100 ng/mL AMH 诱导卵泡生长至窦前阶段
- 第三步：抗 AMH 抗体中和 → 形成卵泡腔
4.2 关键因子
- Activin A：促进卵泡发育
- AMH（抗苗勒管激素）：调控卵泡生长
- GDF9：卵母细胞来源的生长因子
- BMP15：卵母细胞特异性生长因子
五、应用领域
5.1 生育力保存
癌症患者：
- 化疗和放疗会损害卵巢功能
- 冷冻保存卵巢皮质是标准方法
- 3D 卵巢模型提供体外卵泡成熟替代方案
卵巢组织冻融后培养：
- 冷冻-解冻后原始卵泡存活
- 但分离后活力受损
- 需要优化培养条件
5.2 卵巢癌研究
高级别浆液性卵巢癌（HGSC）：
- 最常见的卵巢癌类型
- 起源于卵巢表面上皮（OSE）或输卵管上皮（FTE）
- ECM 蛋白积累导致组织纤维化，促进肿瘤生长
类器官模型：
- 患者来源肿瘤类器官
- 药物筛选平台
- 个性化治疗指导
5.3 内分泌研究
- 激素分泌功能评估
- 更年期综合征研究
- 多囊卵巢综合征（PCOS）建模
- 卵巢早衰（POI）机制研究
六、生物工程技术
6.1 支架材料
| 材料 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| Matrigel | 标准方法、支持 3D 生长 | 成分不明确、批次差异 |
| 藻酸盐 | 可调刚度、生物相容性好 | 缺乏生物活性信号 |
| 纤维蛋白 | 促进血管化 | 机械强度低 |
| 合成水凝胶 | 成分明确、可定制 | 需要优化配方 |
6.2 3D 打印
- 精确控制空间结构
- 多层细胞排列
- 定制化卵巢组织构建
6.3 微流控芯片
- 模拟卵巢微环境
- 动态培养条件
- 支持长期培养
七、挑战与未来方向
3D 卵巢模型面临的挑战与未来发展方向
7.1 当前挑战
- 完全体外配子发生：人类尚未实现从 PSCs 到功能性卵母细胞的完全体外分化
- 血管化不足：大尺寸卵巢模型内部缺氧
- 长期培养：维持卵巢功能需要数月培养
- 标准化不足：不同实验室结果难以比较
- 临床转化：从实验室到临床应用的监管障碍
7.2 未来方向
- 完全体外配子发生：实现人类卵母细胞体外成熟
- 血管化策略：整合内皮细胞构建灌注网络
- 多器官芯片：卵巢-垂体-下丘脑轴模拟
- 个性化医疗：患者特异性卵巢模型
- 基因治疗：CRISPR 修复遗传性卵巢疾病
八、与我们的关联
作为生命科学仪器和耗材供应商，该领域的发展带来以下机会：
- 3D 培养设备：低吸附板、旋转生物反应器、微流控芯片
- 支架材料：Matrigel、藻酸盐、合成水凝胶
- 生长因子：Activin A、AMH、GDF9、BMP15
- 成像设备：共聚焦显微镜、活细胞成像系统
- 冷冻保存：液氮储存系统、程序降温仪
- 基因编辑：CRISPR 试剂、电穿孔仪
原文下载
📄 bioengineered-3d-ovarian-models-bioengineering-2023.pdf
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Bioengineered 3D Ovarian Models as Paramount Technology for Female Health Management and Reproduction |
| 期刊 | Bioengineering |
| 卷期 | Vol. 10, 832, 2023 |
| DOI | 10.3390/bioengineering10070832 |
| 发表日期 | 2023 年 7 月 13 日 |
| 作者 | Julieta S. Del Valle, Susana M. Chuva de Sousa Lopes |
| 机构 | 莱顿大学医学中心解剖与胚胎学系、根特大学医院生殖医学系 |
联系人｜李东伟
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