《Genes》：Integrating Next-Generation Reproductive Organoids with Genomics, Multi-Omics and Bioengineering to Understand Human Infertility
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不孕症影响着全球约六分之一的人口，是一种高度异质性的疾病，由遗传、表观遗传、内分泌、环境和生活方式等因素的复杂相互作用所致。尽管已鉴定出众多涉及女性和男性不育的基因及分子通路，但由于缺乏相关的人类实验模型，阐明疾病相关变异的功能后果仍然具有挑战性。近年来，生殖
不孕症影响着全球约六分之一的人口，是一种高度异质性的疾病，由遗传、表观遗传、内分泌、环境和生活方式等因素的复杂相互作用所致。尽管已鉴定出众多涉及女性和男性不育的基因及分子通路，但由于缺乏相关的人类实验模型，阐明疾病相关变异的功能后果仍然具有挑战性。近年来，生殖类器官已成为强大的三维系统，能够重现卵巢、输卵管、子宫内膜、睾丸和早期胚胎的关键结构、细胞和功能特征。在此，研究人员基于对文献的重点分析回顾了当前生殖类器官模型的概况，特别强调了描述其生成、表征和应用的原创性研究。除了模拟组织发育和生殖生理学外，这些模型为研究不育相关机制、基因调控网络、细胞间通讯以及组织和药理学刺激的特异性反应提供了独特的机会。单细胞和空间转录组学、多组学、CRISPR/Cas9基因组编辑、人工智能和生物工程技术，包括器官芯片系统，正在拓展它们作为下一代功能基因组学、疾病建模、生物标志物发现和治疗筛选平台的潜力。然而，当前的生殖类器官仍然是天然组织的简化代表，在生理成熟度、可重复性和标准化方面存在局限性，而其临床预测价值仍有待确定。总体而言，通过将基因组变异与分子调控、细胞表型和组织结构联系起来，生殖类器官代表了理解人类不孕不育的有前景的临床前平台，并可能最终有助于精准生殖医学的发展。
1. 引言
不孕症影响全球约六分之一的人。女性不育可能源于卵巢储备减少、排卵功能障碍、输卵管异常、子宫内膜异位症或子宫内膜容受性受损；男性不育通常与精子发生缺陷、内分泌功能障碍或生殖道异常有关。大约15-30%的不育病例原因不明。基因组学的进展揭示了单基因缺陷、染色体异常、多基因易感性、表观遗传失调和环境因素在不育中的作用。然而，由于传统实验模型的局限，将基因组发现转化为生物学机制仍具挑战。生殖类器官作为生理相关的3D模型应运而生，能重现生殖组织的关键结构、分子和功能特征，为研究生殖发育、组织稳态和不育相关机制提供了新机遇。
2. 用于不育研究的女性生殖道类器官
2.1 概述
女性生育力依赖于卵巢、输卵管和子宫内膜的协调功能。卵巢产生有发育能力的卵母细胞；输卵管提供受精和早期胚胎发育的最佳微环境；子宫内膜经历周期性重塑以建立接受态。这些生殖区室的任一功能障碍都可能导致不育。
2.2 卵巢与卵巢类器官
卵巢是主要的女性生殖器官，负责类固醇激素产生和卵母细胞的周期性成熟。卵巢功能障碍是女性不育的主要原因之一，如早发性卵巢功能不全（POI）。卵巢类器官作为生理相关的3D模型，能重现卵巢结构、卵泡发生、类固醇生成和细胞间通讯的关键特征。通过过表达NR5A1和RUNX1/2，人诱导多能干细胞（iPSCs）可分化为颗粒样细胞，与原始生殖细胞共培养后能自组装成卵泡样结构（类卵巢），并表现出促卵泡激素（FSH）响应的雌二醇分泌。这些类卵巢为研究卵巢发育、卵泡成熟和POI机制提供了前所未有的机会，并有望用于再生和精准生殖医学。通过将患者来源的iPSCs、CRISPR/Cas9基因组编辑和单细胞多组学整合，可为功能性研究POI相关致病基因变异提供框架。
2.3 输卵管类器官
输卵管为配子捕获、精子运输、受精和早期胚胎发育提供生理环境。输卵管因素不育常与管腔阻塞有关，沙眼衣原体引起的慢性输卵管炎是主要原因。输卵管类器官能忠实保留天然输卵管上皮的细胞多样性、极性和分泌活性。利用人输卵管类器官成功再现了慢性衣原体感染，证明持续性细菌感染会诱导深刻的上皮重塑，包括干细胞标志物表达增加、增殖增强以及持久性的表观遗传改变。此外，利用患者来源的类器官证实了阴道加德纳菌可诱导强烈的炎症反应，而卷曲乳杆菌则促进免疫调节通路，支持其在维持上皮稳态中的保护作用。
2.4 子宫内膜与子宫内膜类器官
子宫内膜在雌激素和孕激素的协调作用下进行周期性重塑，以建立胚胎着床所需的接受态环境。阿舍曼综合征和子宫内膜异位症是导致女性不育的重要子宫疾病。子宫内膜类器官能忠实再现人子宫内膜上皮的结构、功能和激素特征。人胚胎干细胞衍生的子宫内膜类器官在移植到宫腔粘连实验模型后显示出卓越的再生能力，能恢复腺体结构、增强血管化并减少纤维化。患者来源的子宫内膜类器官也用于研究子宫内膜异位症的病理机制，并为药物筛选和个性化治疗策略提供了有价值的临床前平台。
3. 男性生殖道与不育
3.1 概述
男性生育力依赖整个男性生殖道的协调功能。男性不育是多因素疾病，约40%的不育案例涉及男性因素。由于精子发生的复杂性以及缺乏生理相关的实验模型，许多形式的男性不育仍未被充分理解。这促进了先进3D模型尤其是睾丸类器官的发展。
3.2 睾丸与睾丸类器官
睾丸是主要的男性生殖器官，负责睾酮产生和持续的精子发生。睾丸类器官已成为有前景的3D模型，能重现睾丸结构、内分泌活性和生殖细胞-体细胞相互作用的关键方面。小鼠睾丸类器官能成功重现生精小管样结构并维持功能性间质细胞产生睾酮，但尚未实现体外完全的精子发生。睾丸类器官最有前景的应用之一是生殖毒性研究。暴露于邻苯二甲酸单酯的大鼠来源类器官出现了支持细胞完整性破坏、精原细胞丢失和血睾屏障损伤。睾丸类器官也为研究男性不育的遗传基础提供了一个有前景的框架，例如整合患者来源的iPSCs与CRISPR/Cas9技术来模拟影响精子发生的遗传异常，但这仍处于早期阶段。
4. 植入前发育、着床与胚胎类器官
早期人类发育始于受精后的卵裂，形成桑椹胚和囊胚。成功的妊娠依赖于胚胎发育与子宫内膜容受性的精确协调。伦理限制和可用性限制了对着床的研究。人类囊胚样结构是由干细胞衍生的3D结构，能重现人类囊胚的许多结构、分子和功能特征，包含三个主要细胞谱系。优化后的分化方案能从原始态人多能干细胞大规模生产囊胚样结构。中间多能状态和化学优化方案进一步提高了囊胚样结构的生理相关性。人类囊胚样结构已成为研究着床失败、复发性流产和早期胚胎疾病的遗传和表观遗传决定因素的有前景平台。总之，生殖类器官从根本上改变了不育研究，提供了连接人类遗传学、发育生物学和组织生理学的实验系统，能够建立基因变异与生殖缺陷之间的因果关系。
5. 新兴多组学技术重新定义生殖类器官为功能基因组学平台
转录组学分析，特别是单细胞RNA测序和空间转录组学，能解析生殖组织的细胞异质性、重建发育轨迹并在原生空间背景下绘制细胞特异性转录程序。整合基因组学、转录组学、表观基因组学等的多组学方法提供了系统级框架。将多组学与生殖类器官结合的主要优势在于从分子关联转向功能验证。类器官芯片技术通过在微流控平台上整合生殖类器官，可精确控制细胞微环境，重现组织-组织界面和器官间通讯。人工智能和机器学习方法有助于整合高维数据，支持自动细胞分类和生物标志物发现。这些技术的融合正在建立新一代功能基因组学平台，以加速不育相关基因的功能验证和精准生殖医学的发展。
6. 讨论
生殖类器官的主要贡献在于提供了一个人类特异性的框架，用于功能性研究不育的遗传、表观遗传和环境决定因素。患者来源的iPSCs结合CRISPR/Cas9可用于生成等基因类器官模型，以建立因果性的基因型-表型关系。类器官也为研究基因-环境相互作用提供了独特机会。然而，当前的生殖类器官仍是天然组织的简化代表，在血管化、神经支配、免疫和基质成分等方面尚不完整。提高可重复性和标准化是更广泛应用的前提。在将生殖类器官整合到临床实践之前，仍需克服重大障碍，包括前瞻性验证其预测能力、制定标准化标准以及处理伦理和监管问题。人类囊胚样结构日益增长的发育保真度也引发了关于其生物学等同性和伦理监督的疑问。总的来说，生殖类器官不应被视为动物模型或临床队列的替代品，而是作为补充性实验平台，连接基因组发现与生殖生理学。
