Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

对于许多面临生命威胁的患癌儿童来说，那些挽救他们生命的治疗手段本身却可能夺走他们的未来生育能力。化疗和放疗通常会损伤卵巢，即产生卵子和必需激素的器官。在成年人中，医生有时可以冻结并储存卵巢组织以备后用，但这种方法对儿童来说是危险的。她们的卵巢含有不成熟的卵子，无法进行单独冻结，而且重新植入自身的组织存在将癌症细胞重新引入体内的风险（如果疾病已扩散至此处）。为了解决这个问题，科学家们正在研究一种不同类型的解决方案：生物人工卵巢。这是一种由支架构建的人造器官，支架是一种微小的、多孔的结构，旨在容纳分离出的卵泡（即卵子囊），并帮助它们在体外生长成熟，直到可以被使用。目标是用这种工程化的支持系统取代受损的组织，使身体能够产生激素并最终释放健康的卵子。

挑战在于寻找构建这种支架的合适材料。卵泡是一个脆弱的三维结构，必须在保持稳固的同时，还允许其随着生长而扩张。它需要与周围的支持细胞进行交互，并接收营养，就像植物需要合适的土壤才能扎根并开花一样。研究人员此前曾使用过一种名为明胶的材料，它衍生自胶原蛋白，因为它模拟了人体的自然环境并有助于细胞附着在其上。最近，他们还研究了一种合成的超多孔材料，称为超蓬松聚乳酸-羟基乙酸共聚物（UF-PLG）。这种材料极其轻盈，可以吸收自身重量许多倍的液体，提供了一种不同类型的结构。问题在于，其中一种材料是否明显优于另一种，或者它们是否提供了可能需要结合使用的不同优势。

一个研究小组致力于直接比较这些材料。他们使用3D打印机从三种不同的物质中制造出微型支架：纯明胶、纯UF-PLG，以及一种将UF-PLG涂覆在明胶上的混合版本。他们以特定的几何模式打印这些支架，该模式由五个以六十度角排列的支柱层组成，从而创造出能够物理性地托举球形卵泡的角落。随后，他们从幼年小鼠的卵巢中取出次级卵泡（即大小如谷粒般的微小卵子囊），将每个卵泡放置在三种类型的支架之一上，并在营养丰富的液体中培养了两天、四天或六天。科学家们在强力显微镜下观察了这些卵泡，以观察它们的附着情况如何、是否保持了形状，以及内部的卵子生长了多少。

结果显示出性能上的明显分化。由纯明胶制成的支架在保护卵泡安全方面表现出色。放置在这些支架上的几乎所有卵泡都保持了附着，并且维持了它们的结构完整性，这意味着包裹卵子的保护层没有破裂。明胶还促进了周围的支持细胞迁移到支架上并包裹住卵泡，从而形成一个强大的集成单元。相比之下，在纯UF-PLG支架上的卵泡表现很差。大多数卵泡完全从结构上脱落，而那些留下的往往发生破裂，失去了其保护壳。混合支架结合了这两种材料，在附着力方面表现出中等水平，但在生长方面却提供了令人惊喜的优势。

虽然明胶支架在固定卵泡方面表现最好，但它们在帮助内部卵子长到全尺寸方面并非最优。研究人员通过测量卵子的直径来观察它们是否达到了能够进行受精的尺寸，这一基准被称为发育能力。在小鼠中，卵子需要达到大约70至72微米的直径才被认为具有发育能力。在明胶支架上的卵子确实在生长，但仍小于这一目标。然而，在混合型UF-PLG-明胶支架上的卵子长得更大，达到了平均直径75.6微米。这表明，虽然明胶更有利于保持结构的完整，但混合材料提供了一个让卵子能更自由扩张的环境。

研究人员还测试了增加支架硬度是否会改变结果。他们增加了化学交联的程度（这起到了类似胶水的作用，使材料变硬），并发现这确实使明胶支架显著变硬。然而，这种硬度的变化并未显著改变卵泡的附着情况或卵子的生长量。材料本身的差异比硬度的差异更为重要。这一发现表明，材料的化学性质而非仅仅是其物理硬度，才是驱动卵泡行为的主要因素。

这些发现指向了一种构建人工器官的新思维方式。长期以来，科学家们一直希望找到一种能够完美完成所有任务的单一材料：既能稳固地固定组织，又能帮助其生长成熟。这项研究表明，这种“一劳永逸”的材料可能并不存在。相反，卵泡对稳定性的需求与对生长的需求是不同的。明胶提供了保持结构完整的稳定性，而UF-PLG成分似乎提供了卵子达到其潜能所需的空间或信号。这意味着，未来最有效的生物人工卵巢可能需要由多种材料构建，通过精心排列，既为卵泡提供一个安全的家园，同时又提供一个有利于卵子成熟的许可环境。通过理解不同的发育阶段需要不同的物理环境，科学家们可以更接近于创造出一种可靠的方案，以恢复那些因癌症而失去生育能力的人们的生育功能。