BioArt按：6月24日，BioArt推出“国科大论坛”专栏，旨在鼓励中国科学院大学（UCAS）生命学院的优秀本科生接触学术最前沿，激发他们对生命科学某些领域深层次的理解，同时也锻炼他们对科学报道的写作能力。今日BioArt推出第十二篇系列文章，这篇文章解读的是来自美国西北大学的科学家发表在Nature Communications杂志上题为“A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice”的研究论文，这项研究结合了最热门的3D打印技术，通过移植人工打印的具有生物活性的卵巢来维持储存激素、分泌卵子等正常功能。
撰文丨申姣（中国科学院大学2014级本科生）
随着医学研究的发展，越来越多曾经十分棘手的疾病逐渐被治愈，然而生殖方面的疾病仍然是一个丞待解决的大问题。由于目前一些生殖肿瘤疾病的治疗手段，可能导致卵巢功能的衰退，从而引起青春期滞后、更年期提前以及不孕症【1-3】。目前提供一定帮助的治疗手段：包括试管婴儿和卵巢移植，都不是长期的解决方法。因此，科研人员结合最热门的3D打印技术，通过移植人工打印的具有生物活性的卵巢来维持储存激素、分泌卵子等正常功能。今年的5月，来自美国芝加哥西北大学的科研人员在Nature communications上发表文章，在小鼠体内植入了人工3D打印的卵巢并且证实其功能正常。
研究人员选用明胶作为3D打印的“墨水”。明胶来源于胶原蛋白，具有胶原蛋白的可降解、有细胞结合位点、柔软耐用等一系列优良性质。明胶溶液经交联后形成水凝胶，冷冻干燥后形成多孔支架材料。这样多微孔、具有生物活性的支架非常好的满足了我们对人工卵巢的需求。而对于温度的把控，科学家们充分利用了明胶的热敏性质：大于33°C时为液相，低于25°C时为完全交联的固相（下图）。而我们需要的材质是部分交联的明胶相【4】。经过多次试验，最终科学家选用30°C的温度下的部分交联的柔软明胶作为3D打印的原材料（下图）。
卵巢是容纳卵泡的巢穴，既然如此那么也就说明卵巢并不是一块密不透风的结构。过去科研人员发现，卵巢支架间的微孔几何形状对卵泡的成活有较大影响【5】。基于这一要求，科研人员试图在30°、60°和90°的支架夹角间寻找一种最合适的选择。
通过共聚焦荧光图像的三维重现发现，在30°、60°和90°的支架中（依次从左到右），30°和60°夹角的支架下面还有另一根多出来的支架（标为蓝色），而90°并没有这一特点（下图）。而多出来一根支架并不是没有作用的：它能为卵泡提供一个额外的支持点，而之后的实验证实，支持点的数量与接触程度与卵泡的存活能力直接相关【6】。
科学家通过多次实验证实：卵巢内部微孔的几何形状与存活率有直接关系，而60°的微孔结构是最适合卵泡发育且能最大程度保证卵泡生理活动的。
随后科研人员进行了体内实验。他们将带有60°微孔的卵巢支架移植进小鼠体内并加入一定绿色荧光蛋白（GFP）标记的卵泡。经过八周的培养后，发现带有荧光标记的卵泡确实存活。在几周后，带有人工卵巢的小鼠产下了一些健康的鼠宝宝，其中存在人工移植的卵泡发育成的（带有绿色荧光蛋白基因），也存在小鼠自身产生的卵泡发育而成的（下图）。这一系列实验不仅证实了3D打印卵巢可以保证已有卵泡活性，也可以正常储存分泌的激素，从而促进新的卵泡生成并分泌。
这篇文章的实验结果虽然很符合预期，但是3D打印卵巢在人体内实现还有很长的路要走。人的卵巢结构相比小鼠来说更复杂，卵泡的大小在发育过程中也会发生较大变化【7】。所以在下一步实验中，科研人员可以尝试着在较大的哺乳动物（兔子，猴子等）中进一步实验。为人类的3D打印卵巢工程打下更坚实的科研基础。
而就本篇文献而言，在科研方法上有非常好的教育意义。通过标准的实验思路和方法：寻找合适的3D打印材料→寻找合适的微孔结构→经典的实验手段测定卵泡的成活程度和激素分泌水平→体外测试卵泡成活率→体内实验测试卵泡的成活、激素分泌、卵泡的分泌，最终以得到健康的小鼠作为实验最终成功的标准，3D打印小鼠卵巢得到了认可。这种实验思路与方法在科研过程中都是非常值得借鉴的。
参考文献：
1. Jeruss, J. S. & Woodruff, T. K. Preservation of fertility in patients with cancer. N. Engl. J. Med. 360, 902–911 (2009).
2. De Vos, M., Smitz, J. & Woodruff, T. K. Fertility preservation in women with cancer. Lancet 384, 1302–1310 (2014).
3. Rose, S. R. et al. Late endocrine effects of childhood cancer. Nat. Rev. Endocrinol. 12, 317–334 (2016).
4. Billiet, T., Gevaert, E., De Schryver, T., Cornelissen, M. & Dubruel, P. The 3D printing of gelatin methacrylamide cell-laden tissue-engineered constructs with high cell viability. Biomaterials 35, 49–62 (2014).
5. Wood, C. D. et al. Multi-modal magnetic resonance elastography for noninvasive assessment of ovarian tissue rigidity in vivo. Acta Biomater. 13, 295–300 (2015).
6. Xu, M., Kreeger, P. K., Shea, L. D. & Woodruff, T. K. Tissue-engineered follicles produce live, fertile offspring. Tissue Eng. 12, 2739–2746 (2006).
7. Huch, M. & Koo, B.-K. Modeling mouse and human development using organoid cultures. Development 142, 3113–3125 (2015).
国科大论坛系列文章：
Cell：肠嗜铬细胞介导肠脑轴对话的机制丨BioArt国科大论坛；
Nature：RNA相变导致神经疾病的机制丨BioArt国科大论坛；
精子与卵子受精识别的结构基础丨BioArt国科大论坛；
Nature：基因组中的“暗物质”与乳腺癌的发生丨BioArt国科大论坛；
小鼠成纤维细胞到胰腺α细胞的谱系转换丨BioArt国科大论坛；
美国科学家在预测“情感共鸣”方面取得突破性进展丨BioArt国科大论坛；
Cell：皮肤中调节T细胞对上皮干细胞分化的促进作用丨BioArt国科大论坛；
Biomaterials：肥大软骨细胞移植物能够促进长骨修复丨BioArt国科大论坛；
阿尔兹海默症之魇—β淀粉样蛋白如何引起突触功能缺陷丨BioArt国科大论坛；
Nature Neuroscience：运动学习对皮层-脊髓信号输出通路的塑造丨BioArt国科大论坛；
Nature：m6A调控果蝇性别决定丨BioArt国科大论坛
BioArt，一心关注生命科学，只为分享更多有种、有趣、有料的信息。关注请长按上方二维码。投稿、合作、转载授权事宜请联系微信ID：fullbellies或邮箱：[email protected]。
