不孕症是人類生殖健康的一個重要問題，超過一半的不孕症病例與女性因素有關。複雜的女性生殖系統功能失調可能導致不孕。在臨床實踐中，女性不孕症通常透過口服藥物和/或手術治療，最終採用輔助生殖技術進行治療。由於水凝膠具有優異的生物相容性、低免疫原性以及可調節的機械效能，它們正成為器官功能重建中的寶貴工具，透過組織工程技術增強其結構和功能。針對女性不孕症的病理機制，水凝膠基女性生殖重建策略可能為卵巢、子宮內膜/子宮和輸卵管功能障礙的治療提供替代方案。
近期，中國國家奈米科學技術中心陳春英院士、Ying Liu聯合中山大學第一附屬醫院徐豔文綜述了女性生殖系統基本生理和病理的概述，當前不孕症治療的侷限性，以及從動物模型到人類生殖生理學的轉化不足。作者還概述了水凝膠在治療女性生殖系統功能障礙當前和未來的潛在應用，強調了水凝膠基策略在轉化醫學領域的前景廣闊，以及需要克服的重大挑戰。該工作以題為“Hydrogel Strategies for Female Reproduction Dysfunction”的論文發表在最新一期《 ACS Nano》上。
女性生殖系統生理學
成功的妊娠需要所有生殖器官的正常功能。首先，具有正常生殖和內分泌功能的卵巢分泌適當水平的性類固醇，以完成卵泡的發育和排卵。其次，子宮內膜的結構和功能的良好調節對於支援胚胎植入至關重要，而宮肌層必須保持完整，以維持子宮的形態和收縮功能。最後，精子有效地到達卵子進行受精的能力依賴於輸卵管、宮頸和陰道的通暢，這些是女性生殖通道。因此，這些過程中的任何功能失調都可能損害女性生育能力（圖1）。
圖1. 有望用於女性生殖功能障礙的水凝膠策略。
齧齒類動物，主要是大鼠和小鼠，由於它們壽命短以及技術和倫理考慮，是用於女性生殖研究最廣泛使用的模型生物（圖2）。然而，齧齒類動物和人類之間在生殖生物學的重要方面存在差異。例如，人類是單排卵物種，而小鼠是多排卵物種。子宮內膜脫落僅在有限數量的哺乳動物中發生。在大多數齧齒類動物物種中，子宮內膜是透過吸收和自我替換來啟動新的子宮週期，而不是被脫落。此外，小鼠的蛻膜化是由植入誘導的，從交配後3.5天開始，持續時間少於24小時（陰道塞在交配後0.5天形成）。與齧齒類動物不同，人類的蛻膜化是由排卵後孕酮水平升高引起的，不需要囊胚的刺激。
圖2. 人類與小鼠或大鼠生殖系統的示意圖。
水凝膠模擬卵泡、生物、物理微環境
三維微環境的生物力學特性在調控卵巢細胞生長中起著作用。水凝膠由於其結構與天然細胞外基質（ECM）相似，已被用於三維培養各種細胞型別，這些細胞可以模擬卵泡的微環境（圖3A）。卵巢卵泡作為卵巢的功能單位，由一個卵細胞組成，周圍環繞著顆粒細胞和細胞外基質（ECM）。細胞外基質提供了適當的微環境，以維持卵巢卵泡的結構和細胞連線。細胞外基質的動態性質調控卵泡發育，從而影響生長、存活、類固醇產生、基膜形成和卵細胞成熟。由於它們卓越的生物效能，膠原蛋白、明膠、纖維蛋白和海藻酸鹽已被用於體外培養大鼠初級卵泡，以促進激素產生、卵泡成熟和排卵（圖3A）。
去細胞化細胞外基質（dECM）是透過化學方法移除組織中的所有細胞來保留生物活性材料獲得的，它可以提供一個重要的微環境，用於體外培養組織和器官，包含一系列促進生物功能的活性因子。自2015年以來，研究人員一直在探索dECM支架在卵巢細胞培養中的應用。研究人員在人類和牛之間構建了無細胞的卵巢支架，同時保持了卵巢內部的基本結構。牛卵巢的去細胞化創造了一個支援培養小鼠卵巢細胞的生態位（圖3B）。在將接種卵泡的ECM支架移植到卵巢切除小鼠的腎被膜下後，血清雌二醇水平得到恢復，抑制素A水平顯示出週期依賴性的散點，並且青春期得以啟動。隨後，dECM水凝膠被用於體外培養卵泡，這些水凝膠富含膠原蛋白、糖胺聚糖和彈性蛋白，以及各種生長因子（GFs）（圖3C）。Choi等人使用豬卵巢dECM水凝膠來實現小鼠前排卵泡的生長和發展。他們發現，在4 mg/mL ECM水凝膠中培養導致了排卵泡形成和成熟卵細胞（中期II）發育的更高率（圖3D）。這些成熟的卵細胞隨後可以在體外透過孤雌生殖啟用發育成早期胚胎。然而，這種水凝膠的複雜組成要求未來臨床應用有嚴格的標準。為確保可靠的結果，需要進一步評估和考慮安全性、有效性和可行性。
圖3. 水凝膠模擬卵泡微環境。
仿生卵泡結構的構建
製造多層生物工程卵巢細胞結構是一種有效模擬複雜天然卵巢結構的方法。透過水凝膠、微流控或器官樣技術，仿生卵泡可以調節激素分泌並維持內分泌穩態（圖4A）。2013年，Opara等人利用微流控技術構建了一個類似卵巢卵泡的多層微囊狀結構。透過使用明膠微球，實現了顆粒細胞內的細胞膜細胞封裝，兩者都被藻酸鹽殼所包圍。使用聚左鳥氨酸進行雙層分割有效地促進了雌激素和孕激素等激素的分泌，突出了適當的卵巢細胞排列（顆粒細胞和細胞膜細胞）在實現分泌功能和複製卵巢中觀察到的自然結構-功能關係中的重要性。一種非平面微流控流動聚焦裝置已被用於構建一個仿生卵巢微組織，該微組織被小鼠早期前竇卵泡的膠原蛋白核心和藻酸鹽殼所包裹。在沒有激素干預的情況下，卵泡可以在體外培養9天后發展到竇期，隨後排卵，這表明卵巢的機械異質性可以調節卵泡發育和排卵（圖4B）。
透過體外方法建立分泌性卵巢組織為複合激素替代療法提供了一個實用的解決方案。隨後，構建的卵泡組織被植入到大網膜袋中的卵巢缺陷大鼠模型中。這種複合激素替代構建物在去勢動物體內保持了90天的活力，分泌了促卵泡激素和促黃體激素以維持穩定的激素水平，大鼠的平均體重和骨完整性得到了維持（圖4C）。此外，雌激素和孕酮激素的穩定水平防止了子宮出現增生和肥大。下丘腦-垂體-卵巢內分泌軸的重建也得以實現，這歸因於移植程式。然而，這種效果的精確機制尚不清楚。此外，這種方法在臨床應用上目前充滿了與免疫排斥相關的風險。
除了使用微流控技術構建卵泡結構外，器官樣構建也可以有效地用於獲得仿生卵泡以調節性激素分泌。Choi及其同事開發了一種血管化的含卵巢球體的水凝膠（VHOS），可用於更年期激素治療。建立人工卵泡的過程包括兩個主要步驟。首先，使用AggreWell微孔板形成顆粒細胞G球體，然後將其封裝在Matrigel中。顆粒細胞T細胞種植在這個層外面，以建立具有複雜結構的多層人工卵泡（圖4D）。第二步涉及構建血管化水凝膠，以支援G細胞、M塗層和T細胞（GMTs）在體外的長期培養。這是透過旋轉N-異丙基丙烯醯胺纖維並將它們放入聚二甲基矽氧烷釋放模具中來實現的。然後將混合了GMTs的明膠溶液注入模具中，以覆蓋室並建立體外長期培養系統（圖4D）。植入血管化水凝膠並在體外培養7天后，發現血管缺乏部位的血液灌注率約為正常對照組的80%。此外，GMT在植入後28天仍然存活，VHOS的整個微通道網路完全灌注（圖4E）。此外，在第7周時沒有觀察到諸如子宮內膜增生等不良影響，體重和骨量保持正常（圖4F，G）。這項研究展示了這些人工卵泡在臨床轉化前景上的強大潛力；然而，VHOS的分泌需要縮短到2周以下，並且植入部位需要進一步的最佳化和探索。
圖4. 水凝膠調節卵巢的性激素分泌。
水凝膠治療子宮內膜/子宮損傷
用纖維化組織修復受損的子宮內膜是宮腔粘連（IUA）發展中的關鍵病理事件。因此，IUA的特徵是纖維母細胞的異常增殖和由於幾種訊號通路觸發的細胞外基質（ECM）的不成比例沉積。這進而導致子宮內膜纖維化的形成，伴隨表達的細胞因子調節ECM合成與降解之間的平衡（圖5A）。水凝膠由於其可吸收性、可降解性和生物相容性特性，可以是生物成分向受損部位的優良載體。實施物理屏障已被證明有效地減少了IUA的復發。此外，利用具有抑制纖維母細胞粘附能力的水凝膠已被顯示是一種有效的方法，用於減少受損組織處的ECM沉積。
上皮-間質轉化是纖維母細胞的重要來源，並參與子宮內膜纖維化的發生。賦予纖維母細胞可塑性並誘導間質-上皮轉化（MET）已被提出作為改善宮腔粘連（IUA）的策略。用重組III型膠原蛋白/海藻酸鹽（Alg-rCoIII）包裹的間充質幹細胞（MSCs）治療小鼠子宮內膜損傷，透過調節子宮內膜間質細胞的間質-上皮轉化，增強了子宮內膜功能的恢復。使用MSCs/Alg-rCoIII對間質-上皮轉化相關標誌物的表達具有顯著的調節作用，如上調E-鈣粘蛋白表達和下調波形蛋白表達（圖5B）。
在最近的一項研究中，將源自臍帶間充質幹細胞（uMSC）的外泌體和膠原蛋白支架移植到大鼠子宮腔內7天后，實驗組相比非外泌體組觀察到更多的浸潤性巨噬細胞。M2巨噬細胞相關細胞因子，即IL-10、TGF-β1和血管內皮生長因子（VEGF）的上調，導致了CD163 M2巨噬細胞極化的促進，隨後降低了炎症反應（圖5C）。
除了促進損傷部位的血管化，移植中水凝膠支架的血管化對於維持區域性組織微環境以實現有效的子宮恢復具有重大意義。在可重建子宮來源材料（RUM）貼片中使用間充質幹細胞（MSCs）已被證明是一種高度有效的方法，用於促進生物材料的長期存活和保留。此外，包括血管生成素、膠質細胞源性神經營養因子、幹細胞因子和血管內皮生長因子（VEGF）在內的各種生長因子，已在RUM貼片培養後的培養基中被檢測到。值得注意的是，在大鼠子宮中植入RUMs後，僅在8天內支架內就可見到可通行的血管（圖5E）。
使用奈米顆粒作為藥物載體可以是促進作用部位血管化的有效方法。近紅外光響應形狀記憶複合材料基於含有CaCuSi 4O 10的奈米片和d,l-乳酸共聚三亞甲基碳酸酯（PT）（CUP/PT），可以釋放銅和矽離子以刺激子宮內膜再生。將銅和矽離子引入生物體中可以有效地促進新血管的生長，以及提高VEGF和CD31的水平。值得注意的是，VEGF的啟用觸發了ERK1/2訊號通路，該通路調控一系列細胞過程，如增殖、遷移和分化（圖5F）。
圖5. 水凝膠在修復子宮內膜損傷中的作用。
小結
該綜述提供了女性生殖系統的生理和病理學的一般背景，以及當前不孕症治療的侷限性。鑑於該領域的大多數研究都是在動物模型中進行的，作者進一步強調了齧齒類動物模型與人類之間生殖生理學的主要差異。作者系統地總結了水凝膠在女性生殖功能障礙中的代表性應用，這些應用分為三種類型：卵巢功能障礙、子宮/子宮內膜損傷和輸卵管損傷。最後，作者強調儘管目前將水凝膠應用於女性生殖系統存在困難，特別是在重現女性生殖器官的複雜動態方面，但這種治療方法仍然具有廣闊的應用前景。儘管使用動物模型（如小鼠、大鼠或非人靈長類動物）的研究帶來的發現對領域產生了巨大影響，但未來的研究應當優先考慮以人為基礎，並關注這些策略的轉化潛力，。
文章連結:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c05634
來源：高分子科學前沿
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