在女性健康领域，生殖系统一直是一个神秘而复杂的领域。从卵巢的卵子生成到子宫的胚胎着床，每一个环节都充满了生命的奇迹，但同时也隐藏着许多未解之谜。然而，随着科技的不断进步，科学家们已经找到了一种全新的方式来探索这些神秘的生理过程——类器官技术。
在这篇最新的综述文章中，来自海南大学的彭辉、杨迪琦团队详细介绍了类器官技术在女性生殖系统中的应用，从卵巢、输卵管到子宫和宫颈，每一个部分都被精心模拟，形成了一个个微缩的“器官模型”。
这些模型不仅能够帮助我们更好地理解女性生殖系统的正常生理功能，还能为研究各种生殖疾病提供新的视角和方法。
文章介绍
展开剩余93%题目：女性生殖道类器官：从生理学到病理学的研究应用
杂志：Biomolecules
影响因子：4.8
发表时间：2025年6月
#1
研究背景
Background
女性生殖道（FRT）是孕育生命的核心，其健康直接决定人口质量与家庭幸福。然而，FRT疾病发病率高、机制复杂，且受伦理与取材限制，研究长期受阻。
传统二维细胞培养易丢失激素反应与原位极性；组织块三维培养虽保留多细胞互作，却寿命短、通量低，难以模拟月经周期、胚胎着床等动态过程。
类器官技术可在体外自组装成3D微器官，保留患者特异性与长期扩增能力。本文系统地梳理了卵巢、输卵管、子宫、宫颈等FRT类器官的构建范式与疾病模型，旨在为生殖生理、不孕症及妇科肿瘤提供高仿生、可重复、可冷冻保种的新一代研究平台，填补传统模型空白。
图1 女性生殖道疾病的研究方法。(a) 单层细胞培养：在动物细胞中进行的一种细胞培养方法，细胞一旦贴附到表面便迅速扩展并开始有丝分裂，逐渐形成致密的单层细胞。(b) 组织块培养：将新鲜分离、高活力的组织切成小块后接种到培养瓶中进行生长。(c) 单细胞类器官：由单一类型的干细胞或纯化的原代细胞衍生而来。在类器官培养之前，这些初始细胞处于未分化状态（干细胞）或高度分化状态（成熟体细胞，如子宫内膜上皮细胞），具有单一且稳定的转录水平。(d) 多细胞类器官：由多种细胞类型组成的细胞聚集体。这些包括多种细胞或通过体外培养技术诱导干细胞分化而获得的多种高度分化的原代体细胞，在开始类器官培养之前获得。(e) 类器官共培养系统：将不同类型的类器官和细胞共同培养的系统，以模拟体内不同组织或器官之间的相互作用。
#3
研究结果
Results
1. 类器官的基本成分
1.1 类器官的细胞来源
类器官的细胞材料可来源于多能干细胞（PSC）、原代细胞和细胞系。PSC具有强大的增殖和分化能力，能模拟组织发生。通过添加特定生长因子，可控制类器官的生长和分化方向。
原代细胞生成的类器官在体内表现出成熟组织的生物学特征，但分离过程复杂，传代次数有限。细胞系的细胞可稳定增殖，但难以长期维持。
基因编辑技术可使类器官更好地模拟突变细胞对周围细胞和组织的影响。选择哪种细胞构建类器官是影响结果的关键因素，每种方法都有其优点和局限性。
1.2 类器官的生长环境
细胞外支架为类器官的生长和增殖提供结构支持，其中水凝胶是3D类器官培养的主要类型。水凝胶是交联的亲水聚合物网络，具有高含水量和类似于动物组织的物理化学性质，能确保类器官内营养物质和氧气的交换。
水凝胶可分为天然水凝胶和合成水凝胶两大类。天然水凝胶包含多种生物成分，但临床转化受限于动物源性和批次差异。合成水凝胶的物理和化学特性严格控制，可满足多样化定制要求，其中聚乙二醇（PEG）基水凝胶和模块化点击化学水凝胶在临床应用中前景广阔。
Matrigel是应用最广泛的天然水凝胶，但其动物来源和未定义成分给临床转化带来挑战。合成水凝胶包括PLGA、PEG、PCL和RADA 16等，具有不同的成分和性质。生物正交点击化学的发展使模块化合成基质成为可能，可动态修改以模仿天然组织重塑。
在建立特定类型类器官时，应根据原始细胞的生长环境选择合适的细胞外支架，以提高类器官的生长速度和稳定性。对于临床应用，应特别考虑无动物、化学定义的系统，以满足法规要求并保持类器官功能。
1.3 类器官的营养供应
类器官培养需要多种营养物质和信号分子，这些对类器官的稳定扩张至关重要。不同来源的类器官有其独特的营养需求，因此选择合适的培养基成分是成功建立类器官的关键。
类器官培养基主要由基础培养基、血清、抗生素和可溶性因子组成，其中可溶性因子是决定类器官命运的关键。这些因子通过与细胞受体结合，激活或抑制细胞内信号转导，从而启动细胞分化或增殖。
尽管生长因子价格昂贵且不稳定，小分子药物可能影响脱靶途径，但结合生物制剂和小分子药物的实验取得了积极结果，为优化类器官培养条件提供了新思路。
2. 类器官在生殖道生理功能研究中的应用
2.1 卵巢
人的卵巢分为卵巢实质和卵巢间质，卵巢薄壁组织构成功能单位卵泡，卵巢基质由支持组织组成。卵母细胞的发育、成熟和释放依赖卵巢正常功能，卵巢通过分泌雌激素和黄体酮调节机体生命活动。排卵在下丘脑-垂体-卵巢激素轴（HPO）和旁分泌细胞调控下发生。
卵巢类器官研究多集中在卵巢表面上皮，类器官的形成速率与初始阶段接种细胞数量和胶原凝胶中成纤维细胞数量相关。卵巢类器官也可起源于女性生殖系干细胞，具有内分泌功能，但产生的卵母细胞成熟率低。
目前，卵巢类器官的发展正逐步向更微观的方向发展，研究探索了生长因子如何促进类器官中干细胞的增殖，并越来越多地纳入转录组测序技术（图2a、3）。
图2 女性生殖道各部分功能层在正常情况下的表面结构。(a) 卵巢表面功能层组织结构示意图。图中还提供了卵巢表面上皮的细胞标志物。这些标志物对于验证类器官是否成功构建具有重要参考意义。(b) 输卵管内侧功能层组织结构示意图。图中还提供了输卵管内黏膜上皮的细胞标志物。(c) 子宫内膜表面功能层组织结构示意图。图中还提供了子宫内膜上皮的细胞标志物。(d) 子宫颈表面功能层组织结构示意图。图中还提供了宫颈内口和宫颈外口的细胞标志物。
图3 各类女性生殖道类器官生成及模型的示意图。
2.2 输卵管
输卵管在自然受精中起关键作用，其粘膜由纤毛细胞、分泌细胞、楔形细胞和迁移细胞组成，受雌激素和黄体酮调节。纤毛细胞捕获卵母细胞并引导其至受精部位，分泌细胞的分泌物增强配子和受精卵的运动。
2012年，Paik等人首次尝试对输卵管上皮细胞进行三维培养，成功产生球形结构。Kessler等人成功建立输卵管类器官，其特点是细胞组成的完整性和激素反应性。Ross等人发现远端细胞衍生的类器官体积大于近端细胞衍生的类器官，指定醛脱氢酶为类器官形成的生物标志物。Chang等人构建了包括输卵管类器官、间充质干细胞和脐带内皮细胞的共培养模型，为研究输卵管上皮的再生和癌变提供新方法。
输卵管类器官的成功培养依赖于Wnt和Notch信号通路的重要生长因子，这对其他类器官的建立具有参考意义（图2b、3）。
2.3 子宫（子宫内膜）
子宫内膜是参与妊娠过程的关键结构，其异常可导致妊娠障碍和着床失败。它由上皮层和基底层组成，上皮层进一步分为腺上皮和管腔上皮。腺细胞在怀孕早期对胚胎发育至关重要。
子宫内膜类器官可来源于不同时期的原代细胞，分为上皮类器官和上皮-间质类器官。自1988年以来，研究者通过三维培养技术成功建立了模仿体内腺上皮的类器官，具有相似的标志物和激素受体表达。最新研究尝试将血管内皮细胞纳入构建系统，以完善类器官。
此外，经血成为非侵入性细胞来源，与组织活检来源的类器官具有相似生物学特征。尽管子宫内膜类器官在模拟胚胎着床方面仍有待完善，但其在子宫内膜生理学研究中具有重要价值（图2c、3）。
2.4 子宫颈
子宫颈是连接子宫和阴道的圆柱形结构，其宫颈管是连接两者的通道。宫颈分为宫颈内和宫颈外，分别被柱状上皮细胞和分层的非角化鳞状上皮细胞覆盖。这些上皮细胞可表达特定的角蛋白。宫颈内的腺体分泌受卵巢功能影响的宫颈粘液。
宫颈类器官可分为宫颈内类器官和宫颈外类器官，均能从人宫颈组织中提取并长期培养。这些类器官在基因表达和结构上很好地模仿了原始组织的特征。
尽管WNT信号转导在宫颈类器官形成中的作用存在争议，但宫颈类器官的发展为HPV和肿瘤机制的研究、药物开发以及个性化医疗提供了有力工具。
2.5 胎盘
胎盘位于子宫壁和胎儿之间，起源于受精卵着床后绒毛膜与基底蜕膜的融合，约在妊娠第12周形成完整结构，由羊膜、绒毛绒毛膜和基底蜕膜组成。滋养细胞是胎盘的主要组成细胞，分为内绒毛细胞滋养细胞（VCT）、外合胞滋养细胞（SCT）和外绒毛滋养细胞（EVT）。
胎盘滋养层类器官可模拟胎盘绒毛，具有遗传稳定性和与早期妊娠滋养细胞相似的特征。近年来，通过气液界面培养产生胎盘绒毛类器官（PVO）成为新趋势，这些类器官不仅包含细胞滋养层细胞，还结合免疫细胞，为研究胎盘屏障和免疫功能提供新视角。
这些类器官有助于模拟胎盘早期发育过程，研究其关键机制，提高妊娠成功率（图3）。
3. 类器官在生殖道病理机制研究中的应用
3.1 子宫腔粘连综合征
Asherman综合征，又称宫内粘连，发病率约为1.5%，但流产后多次刮宫可显著增加其发生率，有时可达39%。多次宫腔手术引起的宫腔粘连发生率可达25%至30%，复发率高达66%。
该综合征的主要病因是宫腔手术，如人工流产、刮除、取出宫内节育器等，这些手术可能损伤子宫内膜，导致宫内瘢痕和慢性子宫内膜炎，进而诱发粘连。此外，感染和雌激素水平下降也可能导致该疾病的发生。
目前，类器官技术已用于Asherman综合征的研究，但更多作为辅助再生方法。研究重点在于使子宫内膜再生并恢复其正常厚度。研究者通过人工机械损伤或化学毒性诱导子宫内膜损伤，初步建立了啮齿动物类器官模型。
与不完善的3D类器官模型相比，能够精确确定化合物对伤口促进作用的愈合模型得到了更广泛的应用，这种模型可以模拟子宫内膜表面的瘢痕形成、纤维化甚至粘连过程。技术的不断进步使得建立标准化的Asherman综合征类器官模型成为可能（图4b）。
图4 女性生殖道常见疾病的组织病理结构。(a) 正常子宫内膜：分为基底层和功能层，包含上皮细胞、间质细胞、血管和免疫细胞。(b) 子宫内粘连（Asherman综合征）：子宫腔内形成粘连，功能层上皮被纤维组织取代，缺乏血管和腺体。(c) 子宫内膜异位症：子宫外生长类似子宫内膜的组织。(d) 子宫腺肌症：子宫内膜腺体和间质侵犯子宫肌层，导致子宫增大。(e) 子宫内膜增生：子宫内膜上皮细胞异常增殖，可能发展为子宫内膜癌。(f) 卵巢癌：卵巢细胞异常增殖形成肿瘤，可扩散到其他部位。
3.2 子宫内膜异位
子宫内膜异位症在健康女性中发病率约10%-15%，在慢性盆腔疼痛或痛经患者中可达20%-90%，育龄妇女中约25%-50%患病。Sampson提出，月经期间子宫内膜碎片可能通过输卵管反流进入腹腔，在卵巢、盆腔腹膜等部位植入生长，引发子宫内膜异位症，但并非所有月经逆行者都会发病，表明其他因素也参与其中。此外，异位子宫内膜组织对雌激素和黄体酮的异常反应也是关键因素之一。
2019年，研究者建立了三种不同类型的类器官，发现异位类器官具有更厚的上皮层，移植到小鼠体内后能诱导子宫内膜异位症样病变的产生，并在基因表达上存在明显差异。后续研究证实，子宫内膜异位症类器官能够准确概括患者子宫内膜的增生性病理改变以及异位和健康子宫内膜的特征。
此外，子宫内膜异位症间质细胞球体的建立成功地再现了这种疾病在体外的侵袭过程。类器官和球体技术的应用，极大地促进了对子宫内膜异位症病理机制的研究进展（图4c）。
3.3 子宫腺肌症
子宫腺肌症是一种常见的难治性妇科疾病，美国约82%的患者选择子宫切除术，37.6%长期使用止痛药。其病理特征是子宫肌层内出现子宫内膜腺和间质，形成弥漫性或局部性病变，常导致子宫后壁增厚，临床上表现为异常出血和痛经。
2010年，Mehasseb等人建立了子宫腺肌症的三维疾病模型，用Matrigel培养子宫肌细胞，并将子宫内膜间质细胞接种于基质层上层，模拟基质细胞侵袭肌细胞的病理过程。该模型显示基质细胞的侵袭性显著高于对照组。Taylor等人利用该模型发现雌二醇和雌激素受体调节剂可增强子宫内膜基质细胞的侵袭性。
这一模型不仅为子宫腺肌症类器官的未来发展提供了思路和基础，还在细胞侵袭试验、激素效应和药物筛选方面显示出巨大潜力（图4d）。
3.4 子宫内膜增生与子宫内膜癌
子宫内膜癌新病例每年超50万例，分为I型（激素依赖性）和II型（非激素依赖性）。I型多为年轻患者，预后较好，与雌激素相关；II型多为老年患者，恶性程度高，预后差，与基因突变有关。
类器官技术在子宫内膜癌研究中应用广泛，2017年研究建立的子宫内膜癌类器官再现了体内肿瘤的病理特征。后续研究中，源自子宫内膜肿瘤的类器官能长时间稳定生长和传代，基因组稳定，复制了肿瘤的组织学和形态学特征，精确模拟肿瘤在体内的遗传、组织学和表达特征（图4e）。
3.5 卵巢癌
除了在子宫内膜癌研究中建立成熟的类器官模型外，研究人员还利用类器官技术探索生殖道其他部位癌症的病理机制，尤其是卵巢癌。卵巢癌是一种异质性疾病，其中高级别浆液性卵巢癌（HGSOC）是最常见且最致命的类型，具有侵袭性强、生长速度快和总生存率低的特点。
HGSOC的病理起源可能存在于输卵管上皮（FTE）和卵巢表面上皮（OSE）。研究表明，输卵管上皮细胞的基因突变，特别是Tp53和RB家族的失活，可能导致HGSOC的发生。同样，卵巢表面上皮细胞也可能经历基因突变，导致恶性转化。
2019年，Kopper等成功建立了癌前异常病变的卵巢类器官和可长期培养的恶性卵巢癌类器官模型，这些类器官表现出与体内相应肿瘤相似的细胞形态特征、不同的细胞表型和差异表达的基因组谱。通过敲低TP53、PTEN和RB，可以获得支持HGSOC起源于输卵管上皮的替代假说的输卵管类器官模型。
这些类器官在药物筛选平台、捕获肿瘤异质性以及作为个性化治疗的患者化身方面显示出巨大潜力（图4f）。
4. 生殖道类器官的发展前景
基因工程技术，尤其是CRISPR-Cas9系统，为类器官建模提供了精确的基因编辑方法，可进行基因敲除、插入或定点突变等操作。这些技术可用于研究子宫内膜癌和宫颈癌的病因，与慢病毒转导和PiggyBac平台结合实现转基因稳定表达。
类器官可用于研究女性不孕症，尤其是盆腔因素和排卵障碍。体外受精（IVF）是主要解决方案，但仍有约30%的病例病因不明。类器官可从患者子宫内膜活检中建立，研究个体差异对治疗结果的影响，为患者定制治疗方案。类器官还可用于多囊卵巢综合征的治疗，减轻超排卵治疗的不良反应。患者病理组织的类器官可低温冷冻保存，用于临床前药物筛选和个体化医疗。
类器官可模拟药物作用，移植到实验动物体内评估药物反应，减少物种差异，提高药物筛选的准确性，支持高通量药物筛选，对评估药物疗效和安全性至关重要（图5）。
图5 生殖道类器官的未来应用与前景。(a) 类器官模型可用于研究生殖道的生理和病理，也可用于基因工程，如CRISPR/Cas9基因编辑或慢病毒转染。(b) 建立类器官的基本步骤。(c) 类器官可用于药物反应测试，加速药物开发和筛选，并协助罕见疾病患者进行基因治疗。
结论
通过这篇综述，我们看到了类器官技术在女性生殖健康研究中的巨大潜力。科学家们已经成功构建了多种女性生殖道类器官，包括卵巢、输卵管、子宫内膜和宫颈等，这些类器官模型不仅可以帮助我们更好地理解女性生殖系统的正常生理功能，还能为研究生殖疾病提供新的视角。
随着技术的不断进步，未来的类器官模型将更加复杂和精细，能够更好地模拟人体内的生理和病理过程。这将为医学研究和临床应用带来更多的可能性，为女性生殖健康事业的发展提供有力支持。让我们期待这些前沿技术能够早日转化为实际的医疗成果，造福更多的人。
参考文献
Wang X, Yang D, Peng H. Female Reproductive Tract Organoids: Applications from Physiology to Pathology. Biomolecules. 2025 Jun 24;15(7):925. doi: 10.3390/biom15070925.
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