中国科研团队打造“子宫芯片”，非侵入性检测助力个性化辅助生殖

中国不孕症人群已超 4000 万，其中约 10% 的辅助生殖患者会陷入反复种植失败（RIF）的困境——即便移植健康胚胎，仍需经历 3 次以上 “移植-失败” 的循环，病因不明让治疗如同 “盲目试孕”。

如今，中国科学院动物研究所的研究团队联合国际团队带来重磅突破：他们在《细胞》杂志发表的 3D 子宫胚胎植入模拟芯片，不仅首次在体外完整复刻人类胚胎 “定位-附着-入侵-早期发育” 全流程，更实现了 RIF 的精准病因诊断、个性化药物筛选和无创检测，彻底改写辅助生殖的诊疗模式。

胚胎植入是妊娠的关键一步，发生在受精后 5-7 天，一旦失败便无法形成有效妊娠。长期以来，伦理限制让活体子宫内的植入过程成为 “黑匣子”，而传统实验室模型要么只能模拟简单附着，要么无法响应激素调控，根本无法还原真实子宫的复杂环境。

这款 “子宫芯片” 的核心创新，在于构建了 “活的子宫内膜组织（endometrioid）”：研究团队从子宫内膜分离上皮细胞和基质细胞，先将上皮细胞培养成能分化为腔上皮、腺上皮的类器官，再与基质细胞混合，嵌入经 27 次实验优化的 “Matrigel+MMP 可降解水凝胶” 混合基质中。这种基质的硬度约 184 Pa，与体内子宫组织（171-250 Pa）高度吻合，且能在雌激素、孕酮调控下进入 “种植窗期”，激素处理后雌激素响应基因 IHH 表达提升 3.1 倍，孕酮响应基因 PAX8 表达提升 2.8 倍，完全具备真实子宫内膜的分泌功能和激素敏感性。

在此基础上，芯片通过微流控技术构建分层培养体系——底层为基础 ECM 凝胶，中层为子宫内膜核心，上层为腔上皮单层，完美模拟子宫内壁结构。研究团队将干细胞来源的类囊胚（blastoid）和捐赠的人类囊胚分别放入芯片，两种胚胎均完成了 “定位-附着-入侵” 的完整植入流程，更突破性地支持了着床后的早期发育：植入 3 天后，胚胎分化出合胞体滋养层（hCG 阳性）和绒毛外滋养层（HLA-G 阳性）；7 天后，形成原羊膜腔（OCT4 阳性细胞构成）和原卵黄囊（GATA6 阳性细胞构成），相当于体内 10-12 天的发育阶段，这是过往任何模型都未能实现的突破。

更关键的是，该模型精准复刻了 RIF 的病理状态。研究发现，RIF 患者的子宫内膜细胞存在显著异常：凋亡细胞增多、增殖能力下降、DNA 损伤累积，就像 “孕育种子的土壤” 变得贫瘠。用这些患者细胞构建的芯片模型中，囊胚植入率仅为健康人群的 60%，且植入后形成羊膜腔、卵黄囊的比例不足健康组的 1/3，与临床中 “移植成功但胚胎停育” 的表现完全一致。

通过单细胞 RNA 测序，团队还首次解析了胚胎与母体的 “对话密码”：附着阶段，胚胎极性滋养层分泌的 VEGFA、CGA，分别与子宫内膜上皮细胞的 VEGFR1、FSHR 受体结合，前者促进形成 “附着位点”，后者抑制上皮细胞凋亡，阻断这两条通路会让囊胚附着率下降 68%；入侵阶段，胚胎分泌的 MMP9 降解子宫内膜基质开辟通道，母体基质细胞分泌的 IGF1 促进胚胎增殖，这种 “双向配合” 的动态机制首次在体外被清晰解析。

技术的核心价值更体现在临床转化上。团队利用芯片对 1119 种 FDA 批准药物进行筛选，建立了 “类器官初筛+芯片验证” 的个性化药物筛选流程。针对不同 RIF 患者的特异性缺陷，筛选结果精准高效：RIF-60 患者因雌激素受体 ESR 表达不足，经阿伏苯宗处理后，ESR 基因表达提升 2.3 倍，囊胚植入率从 32% 飙升至 78%，胚胎形成羊膜腔的比例从 2.1% 提升至 12.5%；RIF-29 患者因 DNA 损伤修复基因 BRCA1 表达低，血管加压素处理后，BRCA1 表达提升 1.8 倍，子宫内膜细胞 DNA 损伤率下降 41%，囊胚入侵深度增加 53%。更令人惊喜的是，检测无需痛苦活检——模型仅需 6500 个基质细胞和 5000 个上皮细胞，一次经血样本就能提取约 2×10⁴个子宫内膜细胞，完全满足需求，且经血来源细胞与活检样本的基因表达相似度达 94%，构建的模型囊胚植入率差异不足 5%，彻底避免了宫腔镜活检的出血、感染风险。

“我们的 3D 植入模型不仅重现了人类胚胎植入的关键事件，还为 RIF 患者的个性化药物发现提供了强有力的工具，” 研究主要作者表示。这款指甲盖大小的芯片，既突破了伦理限制和技术瓶颈，让生命早期发育的 “黑匣子” 被打开，更推动辅助生殖从 “经验驱动” 迈入 “精准科技驱动”：未来患者只需提供一份经血样本，就能通过芯片明确病因、匹配专属药物，告别反复移植的身心煎熬。对于无数受困家庭而言，这一技术不仅是 “好孕” 的新希望，更标志着人类在理解生命起源、破解不孕难题的道路上迈出了里程碑式的一步。

参考文献：

Qian Li et al, A 3D in vitro model for studying human implantation and implantation failure, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2025.10.026.

How a miniature womb on a chip can help women struggling to conceive
https://medicalxpress.com/news/2026-01-miniature-womb-chip-women-struggling.html

撰文 | 生物谷编辑 | 木白