《BIOMATERIALS RESEARCH》：Female Reproductive Tract Modeling through Advanced 3D Biomimetic Platforms
女性生殖道（FRT）是一个复杂且高度调控的网络，由卵巢、输卵管、子宫、宫颈和胎盘组成，它们协同作用以调控复杂的生殖功能。这些器官中任何一个的功能障碍都可能导致严重的病理状况，包括不孕、妊娠并发症和妇科癌症。尽管传统的二维（2D）培养和动物模型提供了基础性见解，但它们在重现人类特异性三维（3D）组织架构和动态生化微环境方面能力有限。为克服这些局限，类器官（organoid）和器官芯片（OoC）技术已成为强大的三维仿生平台。类器官保留了上皮特性、细胞异质性和患者特异性表型，而OoC系统则整合了微流体流动、机械刺激和多室界面，以模拟器官水平的生理功能。本综述提供了关于类器官和OoC系统在FRT各器官中最新进展的器官特异性概述，讨论了它们相对于传统模型的优势与当前局限性，并强调了它们在改变生殖生物学研究、疾病模型和转化应用方面的潜力。
**引言**
女性生殖道（FRT）是一个复杂且高度协调的生物学系统，对于维持生育能力至关重要。它调控着一系列精确的事件，包括排卵、受精、胚胎和胎儿发育，以及最终的分娩。这些过程的成功执行依赖于各个器官（包括卵巢、输卵管、子宫、宫颈和胎盘）之间紧密的结构和生理协调。传统上，研究人员对这些机制及其相关病理学的理解主要依赖于鼠类模型和传统的二维（2D）细胞培养。虽然这些传统平台提供了基础性见解，特别是在卵泡发生、内分泌信号传导和生殖疾病方面，但它们的转化相关性常受限于物种间在遗传、解剖和激素调控方面的固有差异。非人灵长类（NHP）模型部分弥补了这一差距，与人类FRT具有更接近的解剖相似性，但仍受伦理、财务和技术限制。同样，标准的2D培养虽然具有实验简单性和成本效益，但无法重现天然体内环境中复杂的3D结构和动态生化环境。
为弥合传统体外模型与人类生理学之间的差距，包括类器官和器官芯片（OoC）系统在内的3D模型已被开发出来。类器官利用人类来源的细胞，相对于动物模型具有显著优势，提供了物种特异性生理功能，并捕获了与人类相关的细胞、遗传和分子特征。它们还支持长期培养、患者特异性建模和高通量实验，使其成为研究人类生殖生物学的强大平台。作为这些3D结构的补充，OoC平台已成为能够在精确控制的微环境中复制器官水平功能的仿生系统。与静态培养不同，这些微流控设备施加机械和生化线索以模拟生理过程。通过在可渗透膜上整合多种细胞类型，这些系统重现了天然屏障的结构和功能异质性，这些特征在传统模型中无法获得。因此，生殖OoC模型代表了迈向生理相关人类系统的重要一步，使得能够在受控条件下动态研究器官水平的生殖过程。
本综述总结了女性生殖系统实验模型的演变，从传统的动物和2D培养模型到类器官和OoC系统。与以往通常关注单个生殖器官或分别审视特定模型平台的综述不同，本综述在3D新方法论（NAMs）的统一框架内整合了卵巢、输卵管、子宫、宫颈和胎盘的最新进展。通过直接考虑类器官和OoC技术，我们强调了它们互补的优势、当前的技术和生物学局限性以及转化潜力。这一全面视角提供了更广泛的理解，即这些模型如何推进生殖生物学、疾病建模、药物筛选、毒性评估以及更具生理相关性的临床前平台的开发。
**女性生殖器官的解剖学与生理学**
**卵巢**
卵巢是女性生殖和内分泌稳态的核心，既是卵泡的储备库，也是包括雌激素和孕激素在内的性激素的主要来源。结构上，每个卵巢由包含不同发育阶段卵泡的外层皮质和含有血管和结缔组织的内层髓质组成。功能上，卵巢储备由卵巢内生长卵泡群的大小和活性定义，这些卵泡依次经历原始、初级、次级、窦状和排卵前阶段，每个周期通常从中选择单个优势卵泡进行排卵。解剖学上，成对的卵巢位于盆腔内靠近盆侧壁，并通过卵巢系膜附着于子宫，卵巢系膜是腹膜的双层折叠，提供结构支撑并作为血管和淋巴供应的通道。
在整个女性生命周期中，卵巢形态和功能经历由生殖阶段和个体生理驱动的动态重塑。卵巢体积由基质组织和卵泡的综合质量决定，变化显著。在青春期前和生殖期后，卵巢体积相对较小且内分泌静止，而从青春期到绝经期则表现出肥大和增强的类固醇生成活性。值得注意的是，在怀孕期间卵巢大小可增加一倍以上，凸显了该器官对全身激素信号的适应性。表面形态也反映了生殖历史：虽然在生命早期是光滑的，但反复的排卵周期和随后的黄体形成导致累积性瘢痕形成，产生逐渐不规则的外观。这些特征共同说明了将卵泡发生与女性生殖寿命中的内分泌功能联系起来的持续组织重塑。结构可塑性与激素输出之间的这种动态关系强调了卵巢微环境的复杂性以及在体外复制其所固有的挑战。
**输卵管**
输卵管是FRT内的关键通道，能够实现配子运输，并构成受精和早期胚胎发育的主要场所。其长度约7.6至10.5厘米，连接卵巢和子宫腔，其长度和管径在青春期、生育期和绝经后有所不同。输卵管分为4个连续部分：间质部（壁内部）、峡部、壶腹部和带有伞部的漏斗部。这些区域表现出不同的形态学和上皮特征，特别是在多纤毛细胞的分布方面，其在远端最高，并朝子宫端减少。间质部是穿过肌层（子宫输卵管连接处）的最狭窄部分，通常是通向子宫的通道，是罕见的间质性异位着床的公认部位。峡部的纤毛细胞少于壶腹部，并充当功能性储库和配子/胚胎转运的调节器。受精主要发生在壶腹部。漏斗部及其伞部毗邻卵巢；其富含纤毛的上皮和可移动的伞部边缘专门用于捕获排出的卵母细胞。
结构上，输卵管壁由3个同心层组成：外层浆膜（输卵管浆膜）、中层平滑肌层（输卵管肌层）和内层黏膜（输卵管内膜），后者具有突出的纵向皱襞。浆膜是脏层腹膜的延续。输卵管肌层包含交织的环形和纵向纤维，产生蠕动活动。输卵管内膜内衬有由纤毛细胞、分泌细胞、钉细胞（插入细胞）和基底细胞组成的假复层上皮。输卵管内膜内协调的纤毛摆动以及输卵管肌层的蠕动，将配子和着床前胚胎推向子宫腔。输卵管上皮和肌肉组织对月经周期的周期性促性腺激素-类固醇动态高度响应。在卵泡期，升高的雌二醇增强纤毛发生和纤毛搏动频率，增强分泌活性，并增加伞部活动性及其与卵巢的并置，从而优化卵母细胞拾取和由远及近的运输。排卵后，周期中期的黄体生成素（LH）激增触发黄体形成，此后孕激素部分下调纤毛活性并改变分泌谱，同时改变平滑肌收缩性，创造有利于胚胎向子宫转运的微环境。这些周期性的、节段特异性的上皮表型和运动功能调整支撑了受精和早期胚胎通过的时空协调。
**子宫**
子宫是一个厚的纤维肌肉器官，位于女性骨盆内膀胱和直肠之间，为着床、妊娠和分娩提供必要环境。形态上，子宫呈梨形，前后扁平，前表面相对平坦，后表面更凸。通常分为上方子宫体和下方子宫颈。子宫壁由3个功能不同的层组成：子宫内膜，即衬在腔内的黏膜，经历周期性增殖、分化和脱落以允许着床；子宫肌层，即厚的平滑肌层，散布有胶原蛋白，产生分娩的收缩力；以及子宫外膜，即腹膜覆盖在腹腔内部分。
子宫内膜在功能上组织为2个不同的层：浅表功能层，经历周期性雌激素和孕激素驱动的增殖、分泌转化和月经脱落；以及更深的基底层，在月经后充当再生储库。在增殖期，雌激素刺激腺体和基质生长；在分泌期，孕激素驱动腺体分泌和基质蜕膜化以建立着床窗口。在没有受精胚胎的情况下，孕激素撤退触发月经和周期更新。子宫肌层同样表现出激素响应性，孕激素在怀孕期间维持子宫静止，而催产素介导的收缩在足月驱动分娩。
子宫大小随年龄、产次和激素环境而变化。在未产妇中，子宫通常长7至8厘米，而经产妇的子宫通常更大，因为妊娠相关肥大和产后仅部分复旧。绝经后，低雌激素状态与子宫大小进行性减小和子宫内膜萎缩外观相关。
**宫颈**
子宫颈是一个动态的纤维结缔组织器官，作为子宫腔和阴道之间的门户，在生殖寿命期间履行不同的机械、分泌和屏障功能。在怀孕期间，它保持一个封闭、机械上有能力的管腔以支持胎儿保留；在足月时，它经历深刻的重塑，成为一个顺应性良好的分娩通道，允许安全的新生儿分娩。
宫颈组织主要是纤维结缔组织，围绕两个主要组成部分组织：富含胶原蛋白的细胞外基质（ECM），以及 contributory 弹性蛋白和蛋白聚糖；以及包含平滑肌细胞、成纤维细胞、上皮细胞和血管床的细胞区室。这些成分沿宫颈不均匀分布。远端（阴道）节段包含较高比例的ECM和相对较少的平滑肌，而邻近子宫肌层的近端区域包含相对较多的肌肉。这种纵向成分梯度为宫颈的双相力学程序提供了机制基础：整个妊娠期的持续硬度和闭塞，随后在足月进行精确调控的顺应性和扩张。
在妊娠过程中，宫颈经历一个分阶段的黏弹性重塑程序，包括软化、成熟、消退和扩张，使得胎儿能够排出并触发产后修复过程。妊娠早期，宫颈长而坚实，但随着足月临近，它逐渐软化和缩短。尽管子宫收缩充足，但宫颈重塑不足可导致产程停滞，而过早重塑则易导致宫颈机能不全和早产。总的来说，ECM结构和细胞活性中这些时间调控的、区域特异性的变化是分娩启动和出生时间的关键决定因素。
**胎盘**
胎盘是一个短暂的、高度特化的器官，在妊娠早期由胚胎外组织发育而来，对于胎儿生长和生存不可或缺。其发育和功能控制着宫内环境，影响整个妊娠期间的气体交换、营养输送、废物清除、免疫耐受和内分泌信号传导。胎盘发育始于囊胚着床到子宫子宫内膜，随后滋养层分化为3种功能不同的亚型：细胞滋养层（CTBs），作为增殖性祖细胞；合体滋养层（STBs），形成直接与母体血液接触的多核上皮层；以及绒毛外滋养层（EVTs），侵入蜕膜并重塑子宫螺旋动脉以建立足够的子宫胎盘血流。
在人类中，胎盘是血绒膜和绒毛性的：绒毛间隙中的母体血液直接接触包被绒毛的STB顶端表面。结构上，分支绒毛树从绒毛板延伸到绒毛间隙：大的干绒毛提供结构支持，中间绒毛从这些主干分支，而末端绒毛构成母胎交换的主要部位。这种层级分支显著扩大了交换表面积，使得呼吸气体能够扩散，并实现营养物质和溶质的载体介导转运，同时绒毛核心内的胎儿毛细血管最小化扩散距离。
除了交换功能外，胎盘还是一个主要的内分泌器官，向母体和胎儿循环分泌激素，从而调节母体代谢并支持胎儿发育。关键产物包括绒毛膜促性腺激素、胎盘催乳素/胎盘生长激素、孕激素和雌激素，它们早期维持黄体功能，调节胰岛素敏感性和底物可用性，并协调母体器官适应直到分娩。
**研究女性生殖系统的传统模型**
**动物模型**
动物模型长期以来一直是生殖生物学研究的基石，提供生理上完整的系统，用于研究激素调节、器官水平相互作用和疾病机制。其中，鼠类模型应用最广泛，因为其遗传背景明确、生殖周期短、繁殖力高且易于进行遗传操作。体内鼠类模型已被用于研究广泛的生殖过程，包括卵泡发生、输卵管纤毛形成和功能、子宫内膜重塑和着床。小鼠中已经模拟了病理和生理正常状态。值得注意的是，Greaves等人通过腹腔内将月经子宫内膜移植到免疫活性小鼠中，建立了月经子宫内膜模型，产生了反映人类状况的病变和雌激素响应表型。然而，重要的物种间差异限制了鼠类模型的转化保真度。值得注意的是，人类是单排卵的，卵母细胞集中在皮质袋中，而小鼠是多排卵的，卵母细胞分布更均匀。尽管两个物种都有一个宫颈，但小鼠有双角子宫和高度盘绕的输卵管，并且缺乏自发性蜕膜化或真正的月经。这些解剖学和生理学差异显著限制了对人类生殖生物学的小鼠研究结果的直接外推。
为弥合鼠类模型与人类生物学之间的差距，非人灵长类（NHP）模型已被采用，其与人类具有更接近的解剖学、激素和生理学相似性。例如，恒河猴和狒狒与人类共享自发性月经、相似的卵巢周期动力学和血绒膜胎盘，使其对于研究子宫内膜异位症、着床和早期妊娠具有价值。成年雌性狨猴具有单一融合的子宫，带有未卷曲、轻度弓形的输卵管，更接近人类生殖道结构。然而，使用NHP进行生殖研究仍受到重大的伦理、财务和技术障碍的限制。因此，仍然需要能够更真实地重建人类生殖道复杂性的体外平台，从而无需依赖跨物种外推即可进行严格的目标验证和治疗测试。
**二维细胞培养模型**
尽管无法复制天然组织复杂性，但传统的2D培养系统因其简单性和成本效益而一直是最主要的模型。在整个FRT中，已从多种上皮细胞类型建立了2D培养，包括源自输卵管、子宫内膜、宫颈和胎盘的上皮细胞，每个都提供了研究细胞特异性生理学的可访问平台。尽管优化离体原代细胞培养条件的进展扩大了2D培养系统的效用，但原代细胞仍表现出固有的局限性，包括有限的增殖能力和显著的个体间变异性。为解决这些问题，Deng等人从外宫颈、转化区和内宫颈分离上皮细胞，并系统比较了增殖和集落形成能力，以确定最佳培养条件。这项工作最终形成了一个可靠的宫颈上皮细胞培养的分步方案。
为了更准确地重现FRT中的体内上皮环境，诸如气-液界面（ALI）之类的区室化系统已被建立，作为传统2D单层和完全3D构建体之间的中间方法。在ALI条件下，子宫内膜上皮细胞获得了体内样结构特征，包括纤毛、微绒毛和分泌颗粒，同时表现出激素响应性和分化成基质样细胞的能力。输卵管上皮的ALI培养促进了在分子水平上表征上皮与配子和早期胚胎的相互作用。牛输卵管上皮细胞（BOECs）的2D培养也被广泛用于研究输卵管在精子选择、活力和释放中的功能。Jordaens等人全面比较了BOEC单层、外植体和悬挂插入物，以确定最能保持上皮极性的条件。结果显示，悬挂插入系统将细胞分为2个区室，并能够进行单向或双向暴露，模拟体内环境。类似地，Huo等人证明在ALI条件下培养猪输卵管上皮细胞（POECs）以氧依赖性方式增强了上皮分化。将该方法扩展到猫科动物模型，Eder等人报道了猫输卵管上皮细胞（FOECs）的长期分化培养在超过3周内保持稳定的上皮表型。尽管它们的稳定性有限且不能长时间持续培养，但这些研究强调，基于单层的系统可以重现输卵管上皮的关键特征，包括极化的分泌细胞和纤毛细胞。
除了单一上皮谱系-ALI系统之外，多细胞共培养系统已被开发以重现体内环境的细胞复杂性。例如，将源自胚胎干细胞（ESCs）的小鼠胚状体与颗粒细胞共培养促进了ESCs向卵母细胞样细胞（OLCs）的分化。后续研究用卵巢干细胞（OSCs）替代ESCs，其在与颗粒细胞共培养时同样产生OLCs。尽管这两种方法都成功诱导了卵母细胞特异性基因表达，但它们无法产生成熟的卵母细胞或有组织的卵泡结构，仍停留在早期发育阶段。为了重现胎盘屏障，滋养层（BeWo b30）和胎儿内皮（HPEC-A2）细胞已被共培养，随后使用不同大小的示踪剂如荧光素钠、异硫氰酸荧光素-葡聚糖、安替比林、吲哚美辛和纳米颗粒测定通透性。
虽然2D培养模型仍然方便且广泛可用，但其固有局限性使其不足以重现体内观察到的结构组织和生理功能。传统的2D上皮培养通常表现出异常形态和顶端-基底极性的丧失，限制了其重现纤毛动力学、管腔液流、基质信号传导和免疫-上皮串扰的能力。特别是，缺乏动态流动降低了生理相关性，表明需要微流控精化。
**多细胞构建体**
**球体**
在3D平台中，卵巢卵泡模拟系统作为模拟天然卵泡生态位的有前景的替代方案。值得注意的是，包含卵泡膜细胞、颗粒细胞和卵母细胞的3D卵母细胞球体成功地支持了早期窦卵泡卵母细胞成熟到中期II阶段，代表了组织工程原理首次成功应用于体外卵母细胞成熟。除卵巢系统外，已经建立了几个3D球体模型来重建FRT的生理和病理微环境。Lawrenson等人使用原代输卵管分泌上皮细胞（FTSECs）开发了球体培养，其比传统单层更紧密地反映天然组织的分子和细胞特征。在这些球体内，细胞形成中央透明核心，周围环绕单层或多层上皮片，为研究输卵管相关疾病和卵巢癌发生的早期事件提供了生理相关模型。类似地，包含上皮、基质和腹膜间皮细胞的内异症球体（ES）已被创建以重现子宫内膜异位症的关键病理特征。使用该模型，研究表明促炎巨噬细胞增加球体侵袭，雌二醇增强侵袭而孕激素抑制之。源自HeLa、CaSki和SiHa细胞系的宫颈癌球体也已使用液体覆盖法生产，表现出ECM内的侵袭行为。
**卵巢类器官**
超越球体，类器官系统能够长期自我组织复杂结构，并为组织生理学建模和精准医学提供强大工具。第一个人类卵巢类器官最近通过将颗粒细胞样细胞（GLCs）与人类原始生殖细胞样细胞（hPGCLCs）结合而建立，其中NR5A1与RUNX1或RUNX2的共表达被确定为从诱导多能干细胞（iPSCs）诱导GLC分化所需的最小因子。这些GLCs支持hPGCLC发育，并且卵巢类器官表现出类固醇生成，在特定培养条件下产生雌二醇（在雄烯二酮存在下）和孕激素，并且类器官重现了关键的卵巢表型，如激素信号传导、生殖细胞成熟和卵泡形成，促进了人类卵巢生物学的研究。除了类器官平台之外，用于模拟妇科恶性肿瘤的补充方法也在探索中。例如，CD109（一种细胞表面糖蛋白）已被确定为在卵巢癌的癌症干细胞样细胞（CSC）群体中特异性地以可溶性和外泌体形式分泌的标志物，表明其作为诊断和预后生物标志物的实用性。将此类CSC衍生的生物标志物与患者来源的类器官系统整合将进一步增强其在精准肿瘤学应用中的价值。
**输卵管类器官**
据报道，输卵管类器官（FTOs）已显示出超过10个月的长期稳定性，支持输卵管（FT）上皮内的上皮干细胞群体。包含分泌细胞和纤毛细胞的FT或输卵管类器官也以生理方式表现出激素响应性。Lawson等人进一步从5种家养物种（牛、猪、马、猫和犬）的上皮细胞建立了输卵管类器官。这些跨物种模型与天然输卵管上皮非常相似，并增进了我们对输卵管生理学的理解，同时提高了辅助生殖技术（ARTs）的潜力。
**子宫内膜类器官**
Turco等人开创了源自人类子宫内膜组织的可长期培养的子宫内膜类器官（EMO）模型。这些类器官在含有表皮生长因子（EGF）、Noggin、R-spondin-1、成纤维细胞生长因子10（FGF10）、肝细胞生长因子（HGF）、A83-01和烟酰胺的化学成分确定培养基中表现出持续的体外扩增。在含有雌激素、孕激素和腺苷3′,5′-单磷酸（cAMP）的成熟诱导条件下，它们分化为分泌细胞和纤毛上皮细胞。此外，暴露于妊娠相关激素，包括人绒毛膜促性腺激素（hCG）、人胎盘催乳素（hPL）和催乳素（PRL），诱导了早期妊娠子宫内膜的特征。与此同时，Boretto等人建立了一个稳健稳定的EMO系统，该系统重现了腺体组织，表达了谱系特异性标志物，并显示出类似于月经周期的激素调控的增殖、分泌和撤退阶段。将该方法扩展到跨物种，已成功从代表不同胎盘形态的5种哺乳动物物种（包括牛、犬、猫、猪和大鼠）的子宫内膜上皮干细胞中建立了EMO，并稳定维持超过13代。对这些类器官的转录组分析突出了保守通路，如磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）-Akt信号传导和ECM-受体相互作用，以及显著的激素代谢基因活性，强调了它们作为跨物种子宫生理学研究和疾病建模的广泛应用平台的潜力。
**宫颈和胎盘类器官**
已从正常和恶性宫颈组织中建立了可长期扩增的内宫颈和外宫颈类器官。单纯疱疹病毒1型（HSV-1）感染测定显示，这些类器官重现了其来源组织的关键形态和功能特征，为疾病建模、人乳头瘤病毒（HPV）致癌研究以及基于患者来源的肿瘤类器官的药物筛选提供了生理相关平台。与此同时，滋养层干细胞来源的类器官被生成以模拟胎盘发育的关键方面。该系统包括球形类器官，具有单层STB细胞外层，具有屏障功能，以及反映上皮组织的柱状STB屏障模型。这些滋养层类器官为研究早期胎盘发育和评估跨胎盘化合物转移和药物毒性提供了有用的实验平台。
**类器官的挑战与未来进展**
尽管类器官重现了人类组织结构和功能的关键特征，但它们仍然存在几个重要的局限性。一个主要限制是它们的细胞组成不完整，因为大多数组织来源的类器官主要是上皮性的，缺乏基质、免疫、神经元和血管成分。这种细胞简单性限制了它们模拟体内观察到的黏膜相互作用和生理复杂性的能力。与此一致，卵巢类器官的一个限制是缺乏产生雄激素的卵泡膜细胞。尽管NR2F2+基质样细胞可以部分分化，但这些细胞缺乏真正的卵泡膜细胞功能，并且DAZL+生殖细胞不能长期维持。虽然类器官系统相对于传统2D和动物模型提供了明显优势，但它们仍然无法重现定义天然生殖器官的精确多细胞组织、细胞间通讯和动态微环境。为了解决其有限的细胞多样性，类器官应发展为更复杂的共培养系统或组装体，纳入额外的细胞类型并更准确地重现组织水平相互作用。另一个主要限制是源于培养方案差异和操作者依赖程序的批次间变异性，这可能损害可重复性。此外，常规类器官缺乏动态生理线索，包括流体流动和相关的剪切应力。将类器官与OoC平台整合可能通过提供受控灌注和区室化微环境来克服这一限制。例如，患者来源的EMO被解离成单细胞并嵌入OoC系统中的水凝胶中。在该平台内，细胞形成极化的子宫内膜上皮屏障，从而实现屏障功能的评估，这在传统3D类器官中由于其封闭结构和潜在坏死核心形成而难以评估。
**器官芯片**
重现女性生殖器官的微生理系统（OoC）因其改善胚胎培养条件和ART后续结局的潜力而受到关注。历史上，优化体外胚胎培养的努力集中在改进培养基配方和补充剂，以及微调氧张力、温度和pH等物理化学参数。尽管取得了这些进步，但在传统体外条件下，胚胎发育效率和胚胎能力仍然欠佳。
**用于卵泡培养的卵巢芯片**
能够支持卵巢卵泡成熟为有能力卵母细胞的体外平台对于推进生育力保存至关重要。与小鼠模型相比，体外卵泡培养系统向大型哺乳动物的转化仍具有挑战性，因为卵泡发生的动力学延长且卵泡结构显著增大。为克服这些限制，Nagashima等人开发了一种卵巢芯片平台，将微流控设备与家猫和狗的卵巢皮质组织外植体或分离的卵泡整合在一起。与静态培养相比，微流控系统引发了情境依赖的卵泡表型，其中嵌入皮质组织内的卵泡对刺激的反应与在类似条件下维持的分离卵泡不同。这些观察强调了组织情境和动态灌注在体外卵泡成熟的转化平台设计中的重要性。
**输卵管芯片**
Kim等人引入了一种机械活跃的微流控体外培养平台，仿生重现了体内观察到的输卵管蠕动。为了评估机械刺激对微流控通道内牛胚胎发育的影响，胚胎在直通道或具有不同宽度缩窄的通道中培养。使用微调制倾斜平台产生受控动态流动，比较分析进一步表明，机械刺激显著增强了早期胚胎发育。由于传统培养系统通常导致BOEC特征快速丧失，Ferraz等人建立了一个生理相关的体外输卵管模型，该模型保持了上皮极化和分化，从而能够成功受精。该小组还开发了一种牛输卵管芯片，具有不同的顶端和基底外侧区室，允许根据发情周期进行激素调节，并整合了模拟输卵管内卵母细胞和胚胎物理截留的柱阵列。代表性的输卵管芯片平台包含一个3D微流控结构，具有分离的顶端和基底外侧区室，能够实现受控流体流动和细胞组织。在该系统内，BOEC保持其分化和极化表型，包括纤毛结构，与体内输卵管上皮非常相似。功能上，输卵管芯片支持生理相关的受精，与传统体外受精系统相比，显著减少多精受精和孤雌激活，同时保持高效的单精受精。这些发现证明了重建输卵管微环境对于改善体外受精结果的重要性。在该系统中产生的合子表现出比标准体外胚胎生产（IVP）产生的合子更接近体内胚胎的转录组和甲基化谱。这些特征产生了一个体内样环境，支持发育和生理相关的牛合子的产生。作为OoC平台模拟女性生殖周期的另一个例子，设计了一个基于小鼠卵巢卵泡的微流控系统来模拟人类28天月经激素谱，动态调节单单元、双单元和多单元配置之间的相互作用。多单元平台被称为“EVATAR”，整合了5种原代人类细胞类型，包括宫颈、输卵管、子宫和肝细胞，以及小鼠卵巢细胞，以模拟生殖轴内的全身内分泌串扰。
由于过量的活性氧（ROS）损害基因组完整性和表观遗传调控，动态控制系统对于最小化氧化应激和提高发育保真度至关重要。Wang等人证明动态微流控培养与静态条件相比降低了细胞内ROS。使用原代小鼠输卵管上皮细胞，他们进一步建立了一个基于芯片的体内样环境，在培养期间最小化胚胎ROS负担并改善发育结果。
OoC技术能够通过在器官水平动态控制的环境中重现病理生理学来模拟复杂疾病和罕见遗传疾病。Ferraz等人使用基因编辑的犬输卵管上皮细胞开发了一种微流控输卵管芯片，以克服体内啮齿动物和2D体外模型在人类高级别浆液性癌（HGSC）/浆液性输卵管上皮内癌（STIC）研究中的局限性。该系统包含顶端和基底外侧腔室，重现了人类STIC的显著特征，包括细胞极化丧失、纤毛减少以及多层上皮内细胞非典型性和增殖增加。该模型为研究STIC进展和发现早期HGSC生物标志物提供了一个平台。此外，基于多单元EVATAR平台，Jackson-Bey等人建立了一个输卵管芯片来研究多囊卵巢综合征（PCOS）。他们的研究表明，在静态和动态条件下，升高的睾酮水平会破坏人类输卵管上皮细胞的纤毛活性并改变基因表达，为雄激素介导的生殖功能障碍提供了机制见解。
**用于胚胎发育的子宫芯片**
为了解决与传统体外受精相关的出生缺陷高发生率，正在开发基于微流控芯片的系统以更准确地复制生理性体内生殖环境。Li等人建立了一个可灌注的培养设备，允许胚胎和子宫内膜细胞共培养，从而支持包括排卵、受精、着床和胚胎发生在内的连续生殖过程。与静态培养相比，这种动态共培养系统产生了更高的4细胞、桑椹胚和囊胚形成率，强调了流体和细胞相互作用在早期胚胎发育中的重要性。此外，Chang等人开发了一种仿生微流控系统，促进胚胎在连续培养基流和机械刺激下与子宫内膜基质细胞共培养。该设备包含一个梯度发生器，向平行培养室提供6种不同浓度的孕激素，同时维持恒定的雌激素水平。加入了半圆形微结构以模拟输卵管上皮的纤毛驱动机械线索，促进胚胎发育，其时间动态与体内条件相当。该平台模拟了一个生理相关的子宫样微环境，如子宫内膜基质细胞的激素响应性增殖所示。重要的是，动态微流控培养条件增强了胚胎发育，与传统静态培养系统相比，导致囊胚形成率增加。这些发现强调了重建子宫微环境对于改善体外胚胎发育的重要性。
最近，超越单纯重现人类子宫内膜的多层结构和血管复杂性，建立了一个微工程血管化子宫内膜芯片（MVEOC），其整合了上皮、基质和血管层。在与子宫内膜基质成纤维细胞共培养时，血管区室内的内皮细胞形成了对血管内皮生长因子-A（VEGF-A）响应的血管网络。此外，通过引入功能化肝素结合EGF样生长因子（HB-EGF）和胰岛素样生长因子I（IGF-I）的微珠来模拟胚胎粘附，MVEOC作为研究着床动力学和早期人类妊娠机制的平台。
**宫颈芯片**
由于宫颈作为抵抗上行感染的关键屏障，其功能障碍可导致早产、不孕和细菌性阴道病，凸显了对生理相关体外模型有效研究这些病理生理缺陷的需求。Tantengco等人首次报道了宫颈上皮层器官芯片（CE-OoC），包含通过微流控通道互连的不同外宫颈和内宫颈上皮区室。该平台成功重现了对脂多糖（LPS）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等外部刺激的炎症反应，表现为细胞因子表达升高和上皮-间质转化（EMT）。由于缺乏基质和免疫成分而导致的CE-OoC生理相关性有限，促使了阴道-宫颈-蜕膜芯片（VCD-OoC）的开发，该芯片整合了来自阴道、宫颈和蜕膜组织的6种代表性细胞类型。基质细胞的加入使得跨上皮和基质区室实现了更生理相关的细胞间相互作用。重要的是，该平台允许模拟跨越宫颈阴道界面的上行感染，其中引入阴道区室的病原体以时间依赖性方式通过宫颈上皮层传播并到达蜕膜区室。此外，该系统捕获了细胞类型特异性的炎症反应，证明在感染条件下，细胞因子的产生主要在基质和蜕膜区室，而上皮层的炎症反应最小。来自VCD-OoC母体胎儿膜-蜕膜细胞室的条件培养基随后被应用于胎儿-母体界面芯片（FMi-OoC），以进一步研究解脲支原体感染对胎儿组织的影响。Izadifar等人引入了一种微流控宫颈模型，重现了关键生理功能，如黏液产生、微生物相互作用和激素响应性。尽管缺乏免疫和内皮成分仍限制了完整性，但该平台代表了朝向研究宿主-微生物组相互作用和测试治疗策略的生理相关系统迈出的重要一步。鉴于男性不育常与异常精子形态、低细胞浓度、活力降低和DNA损伤相关，重建宫颈黏液层（其天然支持精子存活和选择性通过）可能有助于选择功能正常的精子以改善ART结果。在此方面，Lee等人创建了一个基于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的微流控精子分选芯片，复制了黏弹性宫颈环境，产生了具有更高DNA完整性的精子，并提供了比传统上游法和密度梯度离心技术更温和的替代方案。
**胎盘芯片**
为了模拟胎盘的营养和气体交换以及胎儿保护功能，Cao等人将人类滋养层干细胞（hTSCs）和内皮细胞共培养，构建了重现胎盘屏障的胎盘芯片平台。构建体内的hTSCs向滋养层谱系分化，包括CTB和STB，形成充满微绒毛的双层上皮。在流体条件下，关键的胎盘功能如hCG分泌、脂质代谢和葡萄糖转运得到增强，伴随着与滋养层合体化相关的Rap1通路激活。此外，暴露于环境毒素如邻苯二甲酸单-2-乙基己酯（MEHP）在该平台中诱导了明显的毒理学反应，证明了其在评估妊娠早期化学毒性方面的适用性。为了更精确地呈现滋养层谱系发育，随后的胎盘芯片模型整合了人类诱导多能干细胞（hiPSCs），使得能够生成主要的滋养层亚型CTB、STB和EVT，同时流体刺激激活了钙和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路。特别是，在动态灌注下ERVW-1、CDH5和ZO-1的上调增强了紧密连接形成和剪切应力介导的信号传导，导致与静态培养相比，形成更大且更具生理代表性的3D胎盘结构。为了实现可扩展性和多重通量，引入了一种多芯片OrganoPlate系统，作为单单元设备的替代方案，其中hiPSCs自组织成中空管状结构，分化为CTB和STB以形成防漏屏障。该系统还上调了关键转运蛋白基因，支持功能性母胎分子交换。为了进一步表征该系统的功能特性，使用荧光示踪剂评估了屏障完整性。第0天和第6天之间的比较证明了防漏屏障的形成，其限制了小分子和大分子的转运。然而，当前的胎盘芯片模型并未完全重现胎盘的复杂性，凸显了对能够实现更高阶组织组织和母胎相互作用的下一代系统的需求。
**OoC的挑战与未来进展**
OoC系统可以重现人类器官的关键生理特征，并提供与人类相关的传统动物模型替代方案。然而，仍然存在几个局限性。首先，当前的FRT OoC模型并未完全重现天然组织的细胞异质性。由于FRT生理学依赖于不同细胞群体之间的动态分子信号传导和相互作用，仅由少数细胞类型组成的模型不能充分捕获其复杂性。因此，未来的系统应通过多细胞共培养或额外区室纳入更多细胞类型，包括免疫细胞和内皮细胞。其次，由于标准化、可扩展性和批次间可重复性方面的困难，更广泛的转化应用仍然具有挑战性。已经开发了一种可扩展、无泵流动设备，具有自动化流体控制，用于屏障建模OoC平台，并已应用于皮肤、血脑屏障和肺模型。将该方法适应于FRT可以在保持屏障特异性特性的同时支持高通量分析。然而，无泵系统可能不太适合需要精确控制单向流动或复杂多细胞组织的模型。培养设计、生物成像和基于机器学习的分析的进一步进展可能提高可重复性并促进标准化数据解释。最后，当前的OoC系统在模拟慢性和全身性炎症疾病方面
