不孕症是人类生殖健康的一个重要问题，超过一半的不孕症病例与女性因素有关。复杂的女性生殖系统功能失调可能导致不孕。在临床实践中，女性不孕症通常通过口服药物和/或手术治疗，最终采用辅助生殖技术进行治疗。由于水凝胶具有优异的生物相容性、低免疫原性以及可调节的机械性能，它们正成为器官功能重建中的宝贵工具，通过组织工程技术增强其结构和功能。针对女性不孕症的病理机制，水凝胶基女性生殖重建策略可能为卵巢、子宫内膜/子宫和输卵管功能障碍的治疗提供替代方案。
近期，中国国家纳米科学技术中心陈春英院士、Ying Liu联合中山大学第一附属医院徐艳文综述了女性生殖系统基本生理和病理的概述，当前不孕症治疗的局限性，以及从动物模型到人类生殖生理学的转化不足。作者还概述了水凝胶在治疗女性生殖系统功能障碍当前和未来的潜在应用，强调了水凝胶基策略在转化医学领域的前景广阔，以及需要克服的重大挑战。该工作以题为“Hydrogel Strategies for Female Reproduction Dysfunction”的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。成功的妊娠需要所有生殖器官的正常功能。首先，具有正常生殖和内分泌功能的卵巢分泌适当水平的性类固醇，以完成卵泡的发育和排卵。其次，子宫内膜的结构和功能的良好调节对于支持胚胎植入至关重要，而宫肌层必须保持完整，以维持子宫的形态和收缩功能。最后，精子有效地到达卵子进行受精的能力依赖于输卵管、宫颈和阴道的通畅，这些是女性生殖通道。因此，这些过程中的任何功能失调都可能损害女性生育能力（图1）。啮齿类动物，主要是大鼠和小鼠，由于它们寿命短以及技术和伦理考虑，是用于女性生殖研究最广泛使用的模型生物（图2）。然而，啮齿类动物和人类之间在生殖生物学的重要方面存在差异。例如，人类是单排卵物种，而小鼠是多排卵物种。子宫内膜脱落仅在有限数量的哺乳动物中发生。在大多数啮齿类动物物种中，子宫内膜是通过吸收和自我替换来启动新的子宫周期，而不是被脱落。此外，小鼠的蜕膜化是由植入诱导的，从交配后3.5天开始，持续时间少于24小时（阴道塞在交配后0.5天形成）。与啮齿类动物不同，人类的蜕膜化是由排卵后孕酮水平升高引起的，不需要囊胚的刺激。
三维微环境的生物力学特性在调控卵巢细胞生长中起着作用。水凝胶由于其结构与天然细胞外基质（ECM）相似，已被用于三维培养各种细胞类型，这些细胞可以模拟卵泡的微环境（图3A）。卵巢卵泡作为卵巢的功能单位，由一个卵细胞组成，周围环绕着颗粒细胞和细胞外基质（ECM）。细胞外基质提供了适当的微环境，以维持卵巢卵泡的结构和细胞连接。细胞外基质的动态性质调控卵泡发育，从而影响生长、存活、类固醇产生、基膜形成和卵细胞成熟。由于它们卓越的生物性能，胶原蛋白、明胶、纤维蛋白和海藻酸盐已被用于体外培养大鼠初级卵泡，以促进激素产生、卵泡成熟和排卵（图3A）。去细胞化细胞外基质（dECM）是通过化学方法移除组织中的所有细胞来保留生物活性材料获得的，它可以提供一个重要的微环境，用于体外培养组织和器官，包含一系列促进生物功能的活性因子。自2015年以来，研究人员一直在探索dECM支架在卵巢细胞培养中的应用。研究人员在人类和牛之间构建了无细胞的卵巢支架，同时保持了卵巢内部的基本结构。牛卵巢的去细胞化创造了一个支持培养小鼠卵巢细胞的生态位（图3B）。在将接种卵泡的ECM支架移植到卵巢切除小鼠的肾被膜下后，血清雌二醇水平得到恢复，抑制素A水平显示出周期依赖性的散点，并且青春期得以启动。随后，dECM水凝胶被用于体外培养卵泡，这些水凝胶富含胶原蛋白、糖胺聚糖和弹性蛋白，以及各种生长因子（GFs）（图3C）。Choi等人使用猪卵巢dECM水凝胶来实现小鼠前排卵泡的生长和发展。他们发现，在4 mg/mL ECM水凝胶中培养导致了排卵泡形成和成熟卵细胞（中期II）发育的更高率（图3D）。这些成熟的卵细胞随后可以在体外通过孤雌生殖激活发育成早期胚胎。然而，这种水凝胶的复杂组成要求未来临床应用有严格的标准。为确保可靠的结果，需要进一步评估和考虑安全性、有效性和可行性。
制造多层生物工程卵巢细胞结构是一种有效模拟复杂天然卵巢结构的方法。通过水凝胶、微流控或器官样技术，仿生卵泡可以调节激素分泌并维持内分泌稳态（图4A）。2013年，Opara等人利用微流控技术构建了一个类似卵巢卵泡的多层微囊状结构。通过使用明胶微球，实现了颗粒细胞内的细胞膜细胞封装，两者都被藻酸盐壳所包围。使用聚左鸟氨酸进行双层分割有效地促进了雌激素和孕激素等激素的分泌，突出了适当的卵巢细胞排列（颗粒细胞和细胞膜细胞）在实现分泌功能和复制卵巢中观察到的自然结构-功能关系中的重要性。一种非平面微流控流动聚焦装置已被用于构建一个仿生卵巢微组织，该微组织被小鼠早期前窦卵泡的胶原蛋白核心和藻酸盐壳所包裹。在没有激素干预的情况下，卵泡可以在体外培养9天后发展到窦期，随后排卵，这表明卵巢的机械异质性可以调节卵泡发育和排卵（图4B）。通过体外方法创建分泌性卵巢组织为复合激素替代疗法提供了一个实用的解决方案。随后，构建的卵泡组织被植入到大网膜袋中的卵巢缺陷大鼠模型中。这种复合激素替代构建物在去势动物体内保持了90天的活力，分泌了促卵泡激素和促黄体激素以维持稳定的激素水平，大鼠的平均体重和骨完整性得到了维持（图4C）。此外，雌激素和孕酮激素的稳定水平防止了子宫出现增生和肥大。下丘脑-垂体-卵巢内分泌轴的重建也得以实现，这归因于移植程序。然而，这种效果的精确机制尚不清楚。此外，这种方法在临床应用上目前充满了与免疫排斥相关的风险。除了使用微流控技术构建卵泡结构外，器官样构建也可以有效地用于获得仿生卵泡以调节性激素分泌。Choi及其同事开发了一种血管化的含卵巢球体的水凝胶（VHOS），可用于更年期激素治疗。创建人工卵泡的过程包括两个主要步骤。首先，使用AggreWell微孔板形成颗粒细胞G球体，然后将其封装在Matrigel中。颗粒细胞T细胞种植在这个层外面，以创建具有复杂结构的多层人工卵泡（图4D）。第二步涉及构建血管化水凝胶，以支持G细胞、M涂层和T细胞（GMTs）在体外的长期培养。这是通过旋转N-异丙基丙烯酰胺纤维并将它们放入聚二甲基硅氧烷释放模具中来实现的。然后将混合了GMTs的明胶溶液注入模具中，以覆盖室并创建体外长期培养系统（图4D）。植入血管化水凝胶并在体外培养7天后，发现血管缺乏部位的血液灌注率约为正常对照组的80%。此外，GMT在植入后28天仍然存活，VHOS的整个微通道网络完全灌注（图4E）。此外，在第7周时没有观察到诸如子宫内膜增生等不良影响，体重和骨量保持正常（图4F，G）。这项研究展示了这些人工卵泡在临床转化前景上的强大潜力；然而，VHOS的分泌需要缩短到2周以下，并且植入部位需要进一步的优化和探索。
用纤维化组织修复受损的子宫内膜是宫腔粘连（IUA）发展中的关键病理事件。因此，IUA的特征是纤维母细胞的异常增殖和由于几种信号通路触发的细胞外基质（ECM）的不成比例沉积。这进而导致子宫内膜纤维化的形成，伴随表达的细胞因子调节ECM合成与降解之间的平衡（图5A）。水凝胶由于其可吸收性、可降解性和生物相容性特性，可以是生物成分向受损部位的优良载体。实施物理屏障已被证明有效地减少了IUA的复发。此外，利用具有抑制纤维母细胞粘附能力的水凝胶已被显示是一种有效的方法，用于减少受损组织处的ECM沉积。上皮-间质转化是纤维母细胞的重要来源，并参与子宫内膜纤维化的发生。赋予纤维母细胞可塑性并诱导间质-上皮转化（MET）已被提出作为改善宫腔粘连（IUA）的策略。用重组III型胶原蛋白/海藻酸盐（Alg-rCoIII）包裹的间充质干细胞（MSCs）治疗小鼠子宫内膜损伤，通过调节子宫内膜间质细胞的间质-上皮转化，增强了子宫内膜功能的恢复。使用MSCs/Alg-rCoIII对间质-上皮转化相关标志物的表达具有显著的调节作用，如上调E-钙粘蛋白表达和下调波形蛋白表达（图5B）。在最近的一项研究中，将源自脐带间充质干细胞（uMSC）的外泌体和胶原蛋白支架移植到大鼠子宫腔内7天后，实验组相比非外泌体组观察到更多的浸润性巨噬细胞。M2巨噬细胞相关细胞因子，即IL-10、TGF-β1和血管内皮生长因子（VEGF）的上调，导致了CD163 M2巨噬细胞极化的促进，随后降低了炎症反应（图5C）。除了促进损伤部位的血管化，移植中水凝胶支架的血管化对于维持局部组织微环境以实现有效的子宫恢复具有重大意义。在可重建子宫来源材料（RUM）贴片中使用间充质干细胞（MSCs）已被证明是一种高度有效的方法，用于促进生物材料的长期存活和保留。此外，包括血管生成素、胶质细胞源性神经营养因子、干细胞因子和血管内皮生长因子（VEGF）在内的各种生长因子，已在RUM贴片培养后的培养基中被检测到。值得注意的是，在大鼠子宫中植入RUMs后，仅在8天内支架内就可见到可通行的血管（图5E）。使用纳米颗粒作为药物载体可以是促进作用部位血管化的有效方法。近红外光响应形状记忆复合材料基于含有CaCuSi4O10的纳米片和d,l-乳酸共聚三亚甲基碳酸酯（PT）（CUP/PT），可以释放铜和硅离子以刺激子宫内膜再生。将铜和硅离子引入生物体中可以有效地促进新血管的生长，以及提高VEGF和CD31的水平。值得注意的是，VEGF的激活触发了ERK1/2信号通路，该通路调控一系列细胞过程，如增殖、迁移和分化（图5F）。该综述提供了女性生殖系统的生理和病理学的一般背景，以及当前不孕症治疗的局限性。鉴于该领域的大多数研究都是在动物模型中进行的，作者进一步强调了啮齿类动物模型与人类之间生殖生理学的主要差异。作者系统地总结了水凝胶在女性生殖功能障碍中的代表性应用，这些应用分为三种类型：卵巢功能障碍、子宫/子宫内膜损伤和输卵管损伤。最后，作者强调尽管目前将水凝胶应用于女性生殖系统存在困难，特别是在重现女性生殖器官的复杂动态方面，但这种治疗方法仍然具有广阔的应用前景。尽管使用动物模型（如小鼠、大鼠或非人灵长类动物）的研究带来的发现对领域产生了巨大影响，但未来的研究应当优先考虑以人为基础，并关注这些策略的转化潜力，。文章链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c05634