综述：通过机械微环境空间分析捕捉卵巢动态

本综述系统阐述了卵巢机械生物学的最新进展，强调机械力（如ECM刚度、流体压力）与分子信号（如Hippo-YAP、PI3K-Akt通路）协同调控卵泡发育、排卵及卵巢衰老的机制，并探讨了空间多组学与生物力学技术结合在揭示卵巢功能时空动态中的潜力。

　　

引言

哺乳动物卵巢是结构与功能高度动态的器官，其周期性经历卵泡生长、排卵和组织重塑。传统研究集中于激素调控机制，但近年研究表明，机械力（包括卵泡内应力、细胞外基质刚度、流体静压和肌动球蛋白收缩性）是卵巢生理活动的主动调控者。这些机械信号通过影响细胞增殖、分化和组织形态发生，成为卵巢多功能性的核心要素。然而，机械力与分子程序的整合机制仍不明确，且机械刺激的空间异质性和动态变化难以通过传统技术捕捉。理解机械信号在空间限定环境中的生成、感知和转导机制，对揭示生殖疾病（如多囊卵巢综合征、卵巢早衰）的病理机制至关重要。

机械信号作为调控卵巢功能的关键环境因子

卵巢不仅是激素响应器官，更是机械动态系统。其机械特性受组织重塑、纤维化和炎症影响，并随生殖年龄演化。机械应力与变形在多尺度上主动生成，并通过机械转导机制调控微环境。

卵泡发生的机械调控证据

原始卵泡在卵巢皮质区保持静息状态，部分源于卵泡外纤连蛋白施加的机械应力。酶解细胞外基质后施加外部压力可恢复卵泡静息，表明压缩应力可能作为生理性激活刹车。临床治疗卵巢早衰时采用的体外激活技术（卵巢皮质碎片化）正是通过释放机械应力激活Hippo信号通路实现。

生长中卵泡对受限环境高度敏感：体外研究表明，卵泡生长和激素分泌受周围基质刚度调节。颗粒细胞通过黏着斑和细胞间连接响应基质刚度，但力的传递模式（整合素-ECM耦合、细胞骨架应变或钙黏素介导的张力）尚未明确。转录组研究显示，改变基质刚度可调控基因表达，但具体分子机制仍待探索。

排卵过程依赖机械协调：黄体生成素（LH）峰后，壁颗粒细胞分泌蛋白酶（ADAMTS1、MMPs）降解基底膜，软化卵泡壁；同时分泌透明质酸（HA）和DNA片段增加渗透压，使卵泡内流体静压升高3–5 kPa，从内部扩张卵泡壁。内皮素-2（EDN2）诱导卵泡外膜平滑肌收缩，产生周向张力促进破裂。任一机械步骤受阻均导致排卵失败。

卵巢衰老和疾病伴随力学异常：多囊卵巢综合征和衰老小鼠卵巢中，基质刚度增加源于纤维化ECM重塑（胶原沉积过多、HA减少）。靶向ECM纤维化的药物（如二甲双胍、吡非尼酮）可部分恢复排卵功能，证实机械生物学在生殖衰老中的作用。

卵巢力学的细胞与分子参与者

卵巢细胞与ECM共同构成动态生物力学景观。主要组分包括基质、卵泡、黄体和卵泡内区室（颗粒细胞、卵母细胞）。

卵巢ECM

卵巢基质含胶原、弹性蛋白、糖蛋白（纤连蛋白、层粘连蛋白）和糖胺聚糖，其组成、结构和力学特性随生殖年龄演化。人类卵巢衰老过程中胶原形成更粗大的纤维束，空间映射显示ECM架构具有区域特异性（如皮质与髓质刚度梯度）。衰老还伴随炎症和纤维化（胶原交联增加、HA耗竭），导致ECM刚度升高、可变形性降低。

基质细胞：成纤维细胞与免疫细胞

成纤维细胞在衰老和纤维化中向肌成纤维细胞转分化（α-SMA表达增加），强化组织硬化。巨噬细胞等免疫细胞通过分泌TGF-β等细胞因子激活成纤维细胞，加剧局部刚度。

黄体

黄体是高度血管化的临时结构，其ECM成分（I型胶原、层粘连蛋白）在血管化区域富集。衰老黄体中α-SMA⁺成纤维细胞增多，刚度增加。黄体退化过程中血管退化和免疫细胞浸润加速ECM重塑。

卵泡内区室

卵泡由外膜、内膜、基底膜和颗粒层包围卵母细胞构成。膜细胞产生高压缩应力，影响颗粒细胞YAP信号和卵母细胞-颗粒细胞通讯。基底膜作为分子筛维持渗透梯度，其完整性受损会降低卵泡内压力和弹性。颗粒细胞通过黏附连接和间隙连接传递机械信号，卵丘细胞分泌HA-rich基质（杨氏模量0.5–1.6 Pa）支持卵母细胞定位。膜外层细胞通过ROCK信号和线粒体ATP生成收缩张力，促进排卵。衰老破坏基质完整性，损害卵母细胞活性。

颗粒细胞机械转导

机械敏感基因分为四类：

1. 1.

   离子通道（PIEZO1/2、TRPV4、ASIC1）响应拉伸或压力；

2. 2.

   转录调节因子（YAP/TAZ、KLF2/4、EGR1）；

3. 3.

   ECM-黏附相关基因（ITGB1、COL1A1、FN1）；

4. 4.

   细胞骨架调节因子（ACTA2、MYH9、VCL）。

Hippo-YAP/TAZ通路响应细胞骨架张力和基质刚度：低机械输入时，MST/LATS磷酸化YAP/TAZ使其滞留胞质；卵巢组织 fragmentation 后YAP/TAZ核转位激活CTGF等基因促进增殖。PI3K-Akt通路通过整合素和受体酪氨酸激酶（IGF-1R、c-Kit）被激活，调控细胞存活和类固醇生成。Akt磷酸化FOXO3抑制凋亡，并通过mTORC1增强蛋白合成。颗粒细胞源Kit配体激活卵母细胞PI3K-Akt信号，触发原始卵泡激活。两条通路协同形成体外激活策略的基础。

上游力感知结构（整合素、钙黏素）在颗粒细胞中的作用已有初步探索，但其与下游通路的因果联系仍需结合定量力学测量与单细胞转录组学解析。

探究卵巢力学的实验策略

体内研究

磁共振弹性成像（MRE）和剪切波弹性成像（SWE）可无创量化卵巢刚度，揭示衰老和疾病中的机械特征异常。MRE显示牛和人类卵巢区域刚度异质性，SWE发现年龄与卵巢刚度正相关，多囊卵巢综合征患者卵巢弹性升高伴胶原和α-SMA上调。伺服调零压力探针监测排卵期卵泡内流体压力变化，揭示压力波动与卵泡壁收缩性的关联。

原位机械成像

定量微弹性成像（QME）和布里渊显微镜可实现卵巢组织三维弹性映射，显示衰老黄体弹性增加、晚期卵泡形成刚性外壳。原子力显微镜（AFM）测量人、小鼠卵巢组织纳米力学特性（表观杨氏模量0.5–20 kPa），发现衰老皮质刚度升高（绝经后>7 kPa），并与胶原网络密致化和弹性蛋白减少相关。AFM还可表征黏弹性（应力松弛动力学），揭示年龄依赖的组织流变特性。

体外研究

微吸管 aspiration 和AFM测量小鼠次级卵泡表面张力和杨氏模量，发现膜细胞收缩性生成压缩应力影响卵泡生长。激光消融基底膜可估算卵泡内压力。牵引力显微镜（TFM）显示原代膜细胞比颗粒细胞产生更强收缩力。双微吸管技术、FRET张力传感器和微流控变形性细胞术有望解析细胞间力学耦合和细胞机械表型。

空间多组学揭示卵巢机械生物学

组学技术维度

批量组学（如整体卵巢裂解、激光捕获显微切割）曾用于卵泡发生和衰老研究，但无法解析组织异质性。单细胞组学（scRNA-seq）揭示了卵巢细胞类型多样性（颗粒细胞、膜细胞、免疫细胞等），但组织解离过程破坏空间微环境，且微流体剪切力可能改变细胞行为。

空间组学（空间转录组、蛋白质组、代谢组）保留解剖结构的同时分析分子特征：

• •

  空间转录组（Visium、MERFISH）绘制基因表达空间分布，显示皮质-髓质信号通路调控；

• •

  空间蛋白质组（多重免疫荧光、成像质谱流式）映射蛋白分布；

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  空间代谢组（MALDI-MSI）揭示脂质等代谢物空间变化。

技术选择需权衡空间分辨率、分子覆盖度、样本类型（FF/FFPE）和成本。

定义卵巢机械微环境：空间机械组学

新兴空间机械转录组学可同时映射基因表达和力学信息，揭示物理力如何调控转录程序。机械刺激后基因表达呈时间级联：早期即刻基因（EGR1、FOS）15–30分钟内上调，转录调节因子（YAP/TAZ）数小时后激活下游靶点，结构基因（ACTA2、COL1A1）6–24小时表达。捕获这些动力学对正确解读机械生物学数据至关重要。

多模态整合（转录组+蛋白质组+力学）是未来方向。拉曼光谱与布里渊显微镜联用可同步分析生化组成和组织力学，定量相位成像可非侵入监测细胞形态和力学变化。机器学习有望解析这些复杂数据集，揭示卵巢生理病理的新机制。

展望

未来研究应结合定制化力学测量方法与空间多组学（如scRNA-seq、MERFISH、AFM），通过机器学习整合数据，揭示机械信号与分子响应的复杂关系。人工智能增强的光谱技术和三维转录组重建将深化对卵巢功能调控的理解，促进仿生卵巢组织工程（如优化支架刚度、类器官培养），为生育力保存和生殖医学提供新策略。跨学科合作（生物力学、分子生物学、计算模型、临床实践）是推动人类卵巢研究的关键。