本文由Julieta S. Del Valle（隶属于荷兰莱顿大学医学中心解剖与胚胎学系）和Susana M. Chuva de Sousa Lopes（隶属于荷兰莱顿大学医学中心解剖与胚胎学系与比利时根特大学医院生殖医学科）撰写，是一篇题为“Bioengineered 3D Ovarian Models as Paramount Technology for Female Health Management and Reproduction”的综述文章，于2023年7月13日发表在《Bioengineering》期刊上。文章旨在全面总结和阐述生物工程化的三维卵巢模型——包括卵巢类器官和人工卵巢——作为一项变革性技术在女性健康管理与生殖领域的最新进展、应用潜力和面临的挑战。
文章开篇强调了卵巢在女性生理中的核心地位。卵巢不仅是生殖器官，负责产生可受精的卵母细胞，也是重要的内分泌腺体，分泌雌激素和孕激素。这些激素不仅在妊娠期至关重要，对于维持心血管健康、骨骼健康和认知功能同样不可或缺。卵巢功能障碍，如卵巢早衰，会导致不孕以及因激素缺乏而引发的更年期相关综合征，增加骨质疏松、心血管疾病和阿尔茨海默病等风险。传统的二维细胞培养和动物模型在研究复杂的人体卵巢生理和病理机制方面存在局限性，难以完全模拟其细胞异质性、组织结构和动态功能。近年来，三维培养和生物工程技术的进步使得在体外构建能够模拟卵巢部分细胞组成和功能特征的模型成为可能。这些生物工程化的三维卵巢模型正成为研究卵巢生理病理、进行药物筛选、探索生育力保存新方案以及潜在恢复卵巢功能的有力工具。
文章首先对“卵巢类器官”进行了定义和分类。作者将“卵巢类器官”（也称为“人工卵巢”或“微型卵巢”）定义为由细胞形成的任何三维结构，能够在体外展现与卵巢任何部分相似的组织结构和功能特征。生成这些类器官的细胞来源多样：一方面可直接取自卵巢组织，例如小块卵巢皮质活检组织、分离的卵泡、女性胎儿性腺或从卵巢组织中分离的原代细胞；另一方面，也可利用多能干细胞（Pluripotent Stem Cells, PSCs），通过分化 protocols 获得生殖细胞谱系和卵巢体细胞谱系（如颗粒细胞、卵泡膜细胞样细胞）。文章以图示方式清晰展示了从诱导多能干细胞（iPSCs）分化或从卵巢组织直接构建的各种人类卵巢类器官类型。
在利用卵巢类器官研究卵母细胞形成与卵泡组装方面，文章回顾了从多能干细胞体外重构女性配子发生的研究。在小鼠模型中，已有成功案例显示可以从小鼠多能干细胞分化为功能性减数第二次分裂中期（MII）卵母细胞，并能受精产下健康后代。这表明在小鼠中，卵泡发育的中间阶段（如窦卵泡阶段）对于卵母细胞最终成熟可能并非必需。然而，在人类研究中，虽然已能从人多能干细胞分化出人类原始生殖细胞样细胞（hPGCLCs），并尝试与小鼠胎儿卵巢体细胞共培养形成类器官，使人类细胞表达卵原细胞标记物，但这些细胞难以完成减数分裂重组。此外，类器官也被用于疾病建模，例如探究单羊膜囊双胞胎中一方不孕的病因，研究表明不孕可能与胚胎发育过程中原始生殖细胞池在两胎儿间不均等迁移有关，而非分化能力缺陷。
关于利用卵巢类器官研究卵泡生长与卵母细胞成熟，文章重点讨论了两种策略。第一种策略是利用卵巢皮质组织进行体外培养。文章介绍了两个使用新鲜人类卵巢皮质组织碎片，通过多步培养体系成功将单层（原始/初级）卵泡培养至MII卵母细胞阶段的重要研究。这些研究采用了特定的生长因子（如激活素A或抗缪勒管激素AMH及其抗体）来序贯促进卵泡生长和窦腔形成。然而，这些方法的成熟效率较低，且尚不清楚所得卵母细胞的受精和胚胎发育潜能。文章也提及了作者之一Del Valle等人的工作，他们尝试在微流控动态培养条件下培养冻存复苏的人类卵巢皮质组织，但未能改善早期卵泡的成熟，提示连续流动可能干扰了皮质组织局部旁分泌信号的有效聚集。第二种策略是直接分离培养前窦卵泡。将从小鼠或人类卵巢分离的次级/前窦卵泡包裹在生物相容性水凝胶（如海藻酸盐）中进行三维培养，已被证明能支持卵泡进一步发育至MII卵母细胞阶段并产生类固醇激素。新型生物工程材料，如功能化聚乙二醇水凝胶，通过整合细胞外基质结合肽，可改善卵泡存活、促进基底膜新生和卵母细胞成熟。此外，使用脱细胞卵巢支架作为天然细胞外基质来源来构建生物工程卵巢，也是一项有前景但尚处早期阶段的技术。
文章进一步阐述了卵巢类器官在研究卵巢（体细胞）生理与疾病中的应用。在细胞外基质沉积与纤维化方面，卵巢皮质细胞外基质的机械特性和组成变化对原始卵泡的休眠与激活起着关键调控作用。研究表明，体外培养会导致人类卵巢皮质组织胶原沉积发生变化，提示组织纤维化可能与培养条件或供体状态（如是否接受雄激素治疗）有关。动物实验也提示，细胞外基质硬度可能通过影响FOXO3转录因子在卵母细胞内的定位来调节卵泡休眠与激活的平衡。在激素生产与更年期管理方面，文章提出构建包含颗粒细胞和卵泡膜细胞的、可移植的卵巢类器官，作为细胞基础的激素替代疗法，以恢复更年期女性的内分泌功能和下丘脑-垂体-卵巢轴反馈调节的潜在设想。研究显示，由大鼠颗粒细胞和卵泡膜细胞构建的类卵巢球形结构移植到切除卵巢的大鼠体内后，能够促进子宫内膜再生并防止骨丢失。在模拟多囊卵巢综合征（Polycystic Ovary Syndrome, PCOS）方面，研究利用海藻酸盐包裹的小鼠次级卵泡，模拟高雄激素环境，发现过量的雄激素会阻碍卵泡生长、抑制卵丘扩展和排卵，这些效应与颗粒细胞类固醇生成和脂质代谢受损有关，而雄激素受体拮抗剂氟他胺可以恢复卵泡生长，这为理解PCOS的卵巢内机制和潜在治疗靶点提供了模型。
卵巢类器官在癌症研究中的应用是文章的另一个重点。首先，在卵巢癌（Ovarian Cancer, OC）疾病建模方面，从患者肿瘤活检组织建立的癌症类器官（肿瘤类器官）能够长期培养，保持原发肿瘤的组织学特征和遗传特性，为研究肿瘤异质性、起源和转移机制提供了前所未有的平台。例如，研究利用卵巢癌肿瘤类器官发现，细胞顶端-基底极性的转换（从“顶向外”到“顶向内”）在卵巢癌腹膜转移的起始附着步骤中起着关键作用，抑制此极性转换可以阻止类器官在凝胶中附着并减少小鼠腹膜转移灶的形成。这为了解卵巢癌腹膜转移机制和开发抑制转移的药物（如Src激酶家族抑制剂）提供了新见解。关于卵巢高级别浆液性癌的细胞起源，结合类器官模型的研究支持了其可能具有双重起源（卵巢表面上皮和输卵管上皮）的观点。其次，在药物发现与筛选方面，患者来源的卵巢癌肿瘤类器官正成为个性化医疗的重要工具。它们可用于高通量药物筛选，预测患者对化疗药物的反应，研究耐药机制。研究表明，类器官在体外的药物反应与患者的临床反应存在相关性。技术创新，如“环形凝胶”96孔板培养法，提高了类器官药物筛选的通量和效率。尽管存在瘤内异性和长期培养可能引入遗传变异等挑战，但肿瘤类器官技术无疑在加速抗癌药物开发和指导临床治疗决策方面展现出巨大潜力。
在临床转化与局限性部分，文章进行了客观评估。尽管将卵巢皮质组织移植回患者体内以恢复生育力已获成功，但目前尚无成熟的临床级方案能够将冻存的卵巢皮质组织在体外培养并成熟至可用的MII卵母细胞。实现这一目标将为因血液系统癌症等无法接受组织移植的患者带来生育希望。当前技术面临卵泡生长效率低、供体差异大、方案可重复性不高等挑战。构建用于恢复内分泌功能的可移植卵泡同样复杂，需要协调不同卵泡体细胞类型的相互作用、精确调控基质环境，并解决自体细胞来源有限或干细胞分化效率等问题。此外，用于临床的符合良好生产规范的患者特异性iPSC系制备成本高昂且复杂，其安全性在生殖应用方面仍需监管机构严格评估。卵巢癌肿瘤类器官虽然能较好模拟肿瘤特性，但其异质性（包括供体间和供体内）以及长期培养可能获得的遗传突变，影响了平台的可重复性和可扩展性。同时，现有类器官通常缺乏免疫细胞等组分，限制了其对肿瘤微环境及免疫互作的模拟。
最后，文章展望了未来。作者预见，源自卵巢皮质组织的卵巢类器官技术将对女性整体健康和人类生殖产生深远影响。实现从冻存组织体外培养和成熟卵母细胞，将使女性生育力保存不再受生理时钟限制，并可能避免激素过度刺激的风险。而卵巢癌肿瘤类器官则将为个性化医疗铺平道路，辅助临床治疗决策和新疗法开发。随着生物工程化三维卵巢模型的不断进化和完善，它们必将成为理解疾病、开发适应女性生理新疗法以及改变人类生殖方式不可或缺的工具。
这篇综述的价值在于它系统性地梳理了生物工程三维卵巢模型这一快速发展的交叉领域，涵盖了从基础生殖生物学到临床肿瘤学的广泛应用。文章不仅总结了最新技术进展和重要研究发现，还清晰地指出了当前面临的主要科学挑战和转化瓶颈，为相关领域的研究者提供了全面的知识图谱和清晰的发展方向。其意义在于强调了工程学与生命科学结合在解决女性健康核心问题上的巨大潜力，并呼吁各界共同努力，推动这些前沿技术从实验室走向临床，最终惠及广大女性患者。