工程化人类子宫内膜多谱系模型研究进展
人类子宫内膜是胚胎着床、妊娠以及女性生殖与全身健康的核心组织。用动物模型研究内膜,会碰到一系列物种差异(后面会具体展开),很难复现人类生理和病理的很多内在特征。2D 细胞培养给出了奠基性的认识,但它无法重现天然组织的结构和微环境动态。
近十年 3D 建模技术的进展,使激素响应性、多细胞体系的长期培养成为可能,模型与真实内膜生理的接近程度显著提高。但绝大多数类器官只代表单一谱系或单一组织区室,无法模拟组织层面的功能。正是这个缺口,直接催生了"组装体(assembloid)"这条技术路线——把不同类器官和/或细胞群体工程化整合起来,复现天然组织的细胞多样性、分子互话和空间排布。
耶鲁大学 Sozen 团队这篇综述系统梳理了人类子宫内膜体外建模技术从 1960 年代 2D 单层细胞培养到 2020 年代多谱系组装体的完整演进路径。内容包括细胞来源(细胞系、原代、iPSC、经血)、基质材料(Matrigel、脱细胞内膜基质、PEG 定义化水凝胶)、血管与免疫区室的整合、以内异症为代表的疾病建模,以及胚胎—内膜界面模型的现有能力和伦理边界。
期刊:Nature Biomedical Engineering(IF 26.7)
DOI:10.1038/s41551-026-01789-2
通讯作者:Berna Sozen(耶鲁大学医学院遗传学系 / 妇产科与生殖科学系 / 耶鲁干细胞中心)
发表日期:2026.9.11
KEY FINDINGS
五个问题,看清子宫内膜建模走了多远
① 子宫内膜的组成:两层组织、四类细胞
人类子宫从外到内由浆膜层、肌层与子宫内膜构成。内膜本身分两层:月经期周期性脱落的功能层(functionalis),以及保持完整、含再生祖细胞的基底层(basalis)。支撑它的是一个由四类细胞区室构成的系统,由雌二醇(E2)与孕激素(P4)周期驱动。
细胞区室
组成
核心功能
上皮
腔上皮 + 腺上皮
腔上皮是激素敏感屏障,着床期极性与细胞骨架剧烈变化;腺上皮分泌营养性 histotroph,并含再上皮化所需祖细胞
基质
基质成纤维细胞 + 间充质干细胞
支撑上皮、介导 ECM 重塑;孕激素驱动下蜕膜化;含可分化为脂肪细胞、成骨细胞、平滑肌细胞的祖细胞
免疫
淋巴细胞、NK 细胞、巨噬细胞、树突状细胞、肥大细胞
以抗炎巨噬细胞亚群为主,促进组织修复与受孕期内免疫耐受;调节性 T 细胞建立对胚胎的耐受;子宫 NK 细胞(uNK)分泌促血管重塑因子
血管
内皮细胞亚群、血管周细胞、螺旋动脉
周期性血管生成与重塑,维持增殖期与分泌期的氧与营养供给;内皮—血管周基质细胞互话维持血管完整性
月经后上升的雌激素促进上皮与基质增殖,随后孕激素驱动各区室分化、进入受孕状态;前列腺素、VEGF、LIF 等生长因子与 WNT 信号共同协调血管生成与免疫细胞迁移。
Figure 1a 健康子宫内膜的架构与细胞组成示意,含功能层/基底层分层、腔上皮、腺上皮、基质细胞、免疫细胞与螺旋动脉
② 为什么必须做人源模型:动物差异与五十年培养演进
动物模型在界定子宫生物学与生殖疾病原理上有重要作用,但受限于物种间在月经周期、蜕膜化、血管重塑、免疫组成和妊娠支持机制上的巨大差异。自发月经只存在于少数哺乳动物——高级灵长类、部分蝙蝠、象鼩以及刺毛鼠。论文列出的关键差异很具体:
维度
人类
常用啮齿类(小鼠/大鼠)
月经
自发月经,功能层周期性脱落与再生
不月经,仅动情周期
内膜厚度1–7 mm
(随月经期变化)
仅几百微米
螺旋动脉
周期性生长与重塑
常规实验啮齿类中不出现
蜕膜化标志
蜕膜细胞表达催乳素与 IGFBP1
这些标志物未被一致观察到
免疫组成
uNK 占内膜 约 10–15%,表型 CD56⁺CD16⁻
uNK 表面标志不同
非人灵长类(尤其狒狒)更接近人类,能自发发生内异症,但伦理、后勤与费用限制显著;论文提到一个值得注意的观察:圈养超过 2 年的狒狒中内异症发生率报告为 27%。论文的结论是:动物模型在选定的机制研究中仍有价值,但上述多尺度差异构成了开发人源系统的充分理由——人源系统是补充动物模型,而不是替代它。
Figure 1b 内异症的病理特征示意,含腹膜病灶、卵巢内膜异位囊肿、深部浸润病灶及相关分子标注
体外建模这边,论文用一条时间线串起了五十年的演进,几个节点值得记住:
时间
模型
关键突破与局限
1972
HEC-1A 细胞系
源于内膜腺癌,疾病来源限制了它建模健康上皮功能的相关性
1985
Ishikawa 细胞系
激素刺激下整合素模式类似受孕期内膜,长期用于着床研究;但已永生化、携带癌症相关突变,应激响应与细胞结构均受影响
1986
悬浮培养上皮球体
上皮组织片段形成中空球体,事实上是最早的类器官型人内膜模型
2017两项里程碑研究
在 WNT 激活培养基与 Matrigel 中培养出长期、激素响应的 3D 内膜上皮类器官
2019 起
疾病来源类器官
内异症与内膜癌类器官证明患者来源系统能保留病理多样性
2026体外月经周期模型
复现激素驱动的分化、上皮崩解与再生,可跨重复周期进行;并鉴定出 WNT7A 表达的再生相关腔上皮状态
论文也提到 iPSC 这条替代路线:人 iPSC 可依次经原条、中间中胚层、体腔上皮、Müllerian 管样中间态,被定向分化为孕激素响应性的内膜基质成纤维细胞,其中 WNT–CTNNB1 信号的激活是孕激素受体表达的必要条件。这条路线为解决原代细胞来源受限提供了可扩展、可基因操作的细胞来源。
Figure 2 人类子宫内膜体外培养技术演进时间线,从 1970s 的 2D 模型到 2020s 的 3D 组装体、微流控与 ALI 培养
③ 组装体与生物工程基质:把血管和免疫"装"进去
单谱系类器官缺少组织层面功能所需的细胞间互话,方向因此转向多谱系共培养与组装体。
上皮 + 基质
首个内膜上皮—基质共培养把上皮种在 Matrigel 上、基质包埋于胶原中,空间构型更接近体内,但长期培养能力差,且 Matrigel 成分不明确、异质性强。此后出现了极化 Transwell、分层构建、天然或合成水凝胶、无支架多细胞球体等多种格式。把 iPSC 来源基质成纤维细胞与产后蜕膜来源上皮类器官组合,可生成自组织的 3D 共培养体系,对激素处理、撤除与再暴露产生周期性响应。
+ 血管
血管化在内膜尤其关键。PDMS 双腔微流控平台可共培养基质细胞与人脐静脉内皮细胞(HUVEC);HUVEC 与内膜上皮—基质区室结合,能在 3D 水凝胶中形成内皮网络;"vessel-on-chip"平台引入可灌注血管通道,通过控制流动与剪切力促进内皮成熟,产生通透性、炎症激活等功能读出。但论文指出,多数系统仍需改进,才能捕捉内膜血管 niche 特有的身份与功能。
+ 免疫
免疫组分的整合进展相对缓慢。激素分化的内膜上皮类器官分泌组能诱导巨噬细胞获得蜕膜样表型——吞噬活性下降、细胞因子分泌改变,说明腺体信号可以直接塑造局部免疫状态。更近的一项人着床窗组装体整合了上皮、基质与免疫三个区室。但论文明确指出:这些免疫亚群的丰度、表型和功能,仍未充分对标天然内膜。
基质材料:从 Matrigel 到定义化体系
Matrigel 仍被广泛使用,但它来自小鼠肉瘤、成分不明确,会引入变异并不可预测地影响细胞行为。论文列出三条替代路线:
① 脱细胞人内膜基质——用原代上皮与基质细胞再填充的脱细胞内膜支架,支持长期存活,并能响应 28 天激素方案;支架保留的胶原 I 与层粘连蛋白支持效果优于通用基质。代价是依赖供体组织,放大与标准化受限。
② 全定义合成基质——组织启发型聚乙二醇(PEG)水凝胶,用粘附肽与 MMP 可切割交联剂功能化,支持上皮类器官与基质细胞长期共培养,并在模拟月经周期中完成激素驱动的重塑。以可调力学、明确成分和更好重复性,解决了 Matrigel 的若干限制。
③ 气液界面(ALI)培养——进一步改善上皮组织化程度、顶端—基底极性与激素响应性。但让营养、力学和信号需求各不相同的多种细胞在同一培养环境中都维持良好状态,仍是主要技术挑战。
④ 以内异症为案例:最成熟的疾病建模场景
内异症是内膜工程化最有前景的应用方向之一——内膜样组织在子宫腔外生长,影响约 10% 的育龄妇女,是盆腔痛和不孕的主要原因。论文区分了在位内膜(eutopic)与异位病灶(ectopic),并给出三个临床亚型:腹膜浅表型、卵巢型(内膜异位囊肿)、深部浸润型(异位组织穿透腹膜超过 5 mm)。
疾病状态下各细胞区室都发生改变:异位病灶部分上皮细胞携带 ARID1A 突变,驱动 VEGFA–VEGFC 信号与促炎基因表达,促进淋巴管生成;基质成纤维细胞蜕膜化能力下降、IGF 与 WNT 通路改变,且是 GWAS 风险变异最富集的细胞类型;血管细胞上调 VEGFA–VEGFC 与 HIF1A,形成维持病灶存活的反馈环;免疫侧 NF-κB 激活驱动促炎细胞因子分泌,反过来损害孕激素响应性。
遗传层面,人子宫内膜细胞图谱(HECA)发现内异症与对照之间没有特异细胞类型,但基质与免疫细胞的丰度与转录状态存在疾病相关差异。更新的多祖先荟萃分析纳入约 140 万女性(含 105,869 例内异症),鉴定出 80 个风险相关基因组区域,其中 37 个为新位点、5 个与腺肌症共享。
患者来源模型的进展在于:已有研究把上皮—基质内膜组装体与含间皮细胞和成纤维细胞的腹膜层结合,得以分析早期浅表腹膜病灶形成中的组织黏附与基质浸润;也有研究从患者 iPSC 分化出基质样细胞。论文提出的下一步是纳入免疫细胞或感觉神经元,以解析神经炎症如何维持慢性盆腔痛。
⑤ 技术缺口与边界:还差什么
样本来源:经血带来非侵入路线
传统活检样本可得性有限,异位病灶获取受限、离体后活力下降。经血(menstrual effluent)提供了有前景的非侵入替代方案:可从中获取上皮腺体片段用于类器官衍生,基质成纤维细胞也能培养扩增,转录组与活检来源类器官高度一致,并支持跨月经周期纵向取样。挑战在于个体间与周期间的样本变异、阴道菌群带来的潜在污染,以及样本主要代表分泌晚期内膜。
三个明确的技术缺口
缺口一:上皮亚型保真度未系统验证。当前类器官在多大程度上忠实复现体内上皮亚型多样性(腺体、腔、纤毛细胞)仍未解决,跨月经周期与供者的系统性单细胞比对仍然有限。
缺口二:长期培养的遗传稳定性存疑。循环期女性组织学正常的内膜腺体常携带体细胞癌症驱动突变(KRAS、PIK3CA、ARID1A),且呈年龄依赖。考虑到类器官的克隆性质与培养选择压力,目前尚不清楚它是否会优先扩增携带生长优势突变的克隆。论文建议用单细胞转录组与基因组联合分析,配合纵向传代来回答。
缺口三:从"材料驱动"走向"自组织"。领域目前仍由水凝胶、工程化基质或微流控平台从外部定义组织排布与生化背景。论文认为下一个关键方向是建立自组织内膜模型,让多谱系区室自主建立结构、基质 niche 和信号网络。
胚胎—内膜界面:能力边界与伦理
IVF 囊胚、blastoids、trophoblast organoids 与 2D/3D 内膜共培养,可研究黏附、极滋养层扩展、合体滋养层分化和母胎对话。微流控和可降解水凝胶平台如 CREST 可控制滋养层穿透,并发现基质 AXL 调控 EVT 分化。但附着不等于植入,胚胎稀缺、blastoid 保真度有限,且多数平台缺血管和免疫。
INDUSTRY IMPLICATIONS
启示
1. 子宫内膜类器官已是"跑通"的品类,不是概念验证。2017 年就确立了 WNT 激活培养基 + Matrigel 的长期激素响应上皮类器官体系,2026 年更进一步做出可跨重复周期的体外月经周期模型,技术底座稳定,具备产品化前提。
2. 竞争门槛正从"能不能养出类器官"转向"能装进几个区室"。单谱系上皮类器官已不构成差异点;上皮 + 基质、再叠加血管与免疫的组装体才是技术高地。而多数多谱系系统仍受限于培养时长、区室间整合不完整、依赖外源基质——这些都是可被工程化解决的空白点。
3. 去 Matrigel 化是明确且有依据的产业方向。论文直接点出 Matrigel 的小鼠肉瘤来源与成分不明确会引入变异。PEG 定义化水凝胶与内膜脱细胞基质是两条已验证路线,分别对应"可放大标准化"与"组织特异性 ECM 信号"两种价值主张,直接对应培养基质与配套试剂的产品机会。
4. 遗传稳定性必须进入子宫内膜类器官的质控清单。组织学正常的内膜腺体常携带 KRAS、PIK3CA、ARID1A 驱动突变且呈年龄依赖,而类器官的克隆性质可能富集生长优势克隆。长期培养的基因组监测应作为放行标准与客户交付的常规项,这既是质量要求,也是可信度资产。
5. 经血取样与非侵入方案值得作为客户样本卖点。非侵入、可跨周期纵向随访、转录组与活检来源高度一致,意味着更低的采集成本、更易通过的伦理审查,以及过去被排除在活检研究之外的人群(如使用激素避孕者)也能纳入。
结语
这篇综述系统梳理了人类子宫内膜工程化建模从二维细胞培养到三维类器官、多谱系组装体、合成与脱细胞基质、微流控器官芯片及胚胎—内膜界面模型的发展脉络。作者强调,未来模型需实现多谱系自组织、标准化、血管免疫整合及功能终点验证,同时应审慎应对人类胚胎模型带来的伦理与治理挑战。总体而言,该综述为理解人类生殖、子宫内膜疾病及胚胎—母体对话提供了整合发育生物学、生物工程与个性化医学的路线图。
REFERENCES
Vélez-Avilés, A. N., Abel, A., Taylor, H. S. & Sozen, B. Engineering the human endometrium at the intersection of development and reproduction. Nature Biomedical Engineering (2026). DOI: 10.1038/s41551-026-01789-2
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编辑丨月亮
排版丨舟舟
审核丨舟舟
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