摘要：类器官作为生物医学界的‘当红炸子鸡’，虽然名声在外，但不少人对它仍然是只闻其名。今天，小学社带你深入这篇上海交通大学医学院团队的高分综述，全面了解骨/软骨类器官的最新研究进展、开发路径以及构建策略，让我们一起走进这个改变医学未来的‘小巨人’！

类器官作为生物医学界的‘当红炸子鸡’，虽然名声在外，但不少人对它仍然是只闻其名。今天，小学社带你深入这篇上海交通大学医学院团队的高分综述，全面了解骨/软骨类器官的最新研究进展、开发路径以及构建策略，让我们一起走进这个改变医学未来的‘小巨人’！

文章介绍

题目：骨/软骨类器官工程：策略、进展与应用

杂志：Bone Research

影响因子：IF=14.3

发表时间：2024年11月

骨和软骨在促进运动和执行各种生理功能等方面发挥着关键作用。随着人口老龄化，骨质疏松、骨关节炎和严重的骨骼缺陷等疾病患病率不断上升。天然骨骼和软骨固有的细微复杂性和多样化的细胞构成，对于传统2D细胞培养系统存在固有缺陷，往往容易模糊疾病的发病机制，并阻碍了有效的干预治疗。

类器官来源于干细胞和祖细胞，可以部分反映其来源器官的结构和功能，从而提供与生理更加相关的系统。骨/软骨类器官为传统组织工程和2D细胞培养模型的许多局限性提供了解决方案。骨/软骨类器官有可能成为再生医学的创新材料，在高通量药物筛选中的应用可以加速新疗法的开发，以及为患者提供个体化治疗方案。因此，骨/软骨类器官的开发和改进对于促进人们对骨骼和软骨生物学的理解，以及显著改善患者特异性治疗策略具有重大前景（图1）。

图1 传统2D模型和类器官的比较

1．骨/软骨修复过程中的细胞微环境

骨和软骨修复中涉及不同的细胞微环境。骨骼修复微环境由造血干细胞（HSC）、骨祖细胞和巨噬细胞组成，它们分化为用于骨骼吸收的破骨细胞和用于骨形成的成骨细胞。成骨细胞成熟为骨细胞和骨衬细胞，在骨重塑、骨代谢、以及适应性响应方面发挥着重要作用。软骨修复微环境以软骨细胞为主，软骨细胞负责软骨基质的生成。软骨下的血管层支持营养交换，这对软骨的修复和再生至关重要（图2）。

图2 骨/软骨修复中的细胞微环境

2．类器官的介绍和骨/软骨类器官的开发

类器官是模拟生物体中器官特性的三维细胞结构。类器官通常来源于干细胞，结构形式和功能上与其相应的天然器官非常类似。虽然这些类器官不能被认为是真正的人体器官，但它们的结构和功能与人体器官高度相似，并且可以在体外稳定地传代。

“类器官”一词最早从1907 年被提出，进展包括胚状体的开发（1960）、多能干细胞的分离（1981），但直到首次培养出小肠类器官（2009）和肝脏类器官（2013），标志着类器官研究进入快速发展期。2021年培养出骨/软骨类器官，2023年使用透明质酸和羟基磷灰石修饰的微载体和3D生物打印创建骨/软骨组装体。到2024年，Jiacan等人使用GelMA/AlgMA/HAP复合生物墨水对大规模生物矿化骨类器官进行3D生物打印，标志着骨组织工程的重大飞跃。

类器官技术的未来发展方向是组装体，它通过将多种类器官类型组合在一起，能够更真实地模拟复杂的组织相互作用。这种集成化的模型为更复杂的生物模拟和治疗应用提供了巨大的潜力（图3）。

图3 类器官的简史和骨/软骨类器官的发展

3. 骨/软骨类器官的构建策略

骨/软骨类器官的构建涉及选择合适的细胞、基质凝胶、细胞因子、诱导剂和构建技术，有效地复制这些组织的复杂结构和功能，这是构建骨/软骨类器官的基础，为再生医学和组织工程进步提供有效途径（图4）。

图4 骨/软骨类器官的构建策略

3.1 细胞的选择

选择合适的细胞类型，例如BMSC、iPSC、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞和内皮细胞。BMSC和iPSC具有卓越的可塑性和再生能力，使其成为构建骨/软骨类器官的理想候选细胞。软骨类器官的构建中，骨髓来源的干细胞具有强大的增殖、再生和分化能力，可以模拟天然软骨组织固有的细胞组成和分层结构。在软骨组织工程中，MSC具有在多个方向上分化的多电位，可以通过物理内聚力和软骨特异性分子信号传导诱导，产生具有软骨特征的特定细胞外基质的类器官。在骨组织工程领域中，iPSC可以重编程为各种细胞类型，构建复杂的系统，同时保持一致的基因型。此功能能有效地模拟患者特定的骨骼疾病，促进药物测试和开发。同样，天然骨微环境中的MSC可以分化为成骨细胞，为骨类器官构建提供可靠的途径。利用干细胞的这些独特特性，可以更有效地构建与天然骨骼和软骨组织紧密相似的类器官模型。在骨骼和软骨修复过程中，除了干细胞外，其他效应细胞在再生和重建过程中起着至关重要的作用。在骨/软骨类器官的构建中，不同的骨相关细胞，即成骨细胞、破骨细胞、骨细胞、软骨细胞和内皮细胞是不可或缺的。这些细胞功能由复杂的信号网络控制，对于成功设计功能性骨/软骨类器官至关重要，推动了再生医学和组织工程的前沿发展。

3.2 基质凝胶的选择

基质胶（Matrigel）：包含关键的细胞外基质成分，如层粘连蛋白、IV 型胶原和依兰蛋白，通过整合素和生长因子受体相互作用促进干细胞粘附和增殖。

胶原蛋白-水凝胶：胶原蛋白-水凝胶是将分离的间充质干细胞（MSC）与胶原纤维结合，形成一种能促进细胞分化和组织发育的支架。

PEG-水凝胶：具有转谷氨酰胺酶（TG）交联机制，利用PEG和透明质酸（HA）形成功能化水凝胶环境，支持骨髓基质细胞（BMSC）和造血祖细胞（HPSC）的分化。

DNA-水凝胶：将RGD-丝状纤维素和DNA系统结合在一起，形成了一种微球水凝胶结构，可将其集成到微流控芯片中，用于精确的组织工程应用（图5）。

图5 用于构建骨/软骨类器官的水凝胶系统概述

3.3 细胞因子和诱导剂的选择

细胞因子和诱导剂在调节细胞行为、促进分化和组织形成方面起着关键作用。通过与细胞表面受体结合，它们能够激活指导细胞发育的信号通路。将这些因子加入基质凝胶中对于类器官的初始形成和长期稳定性都至关重要。例如，BMP可以刺激成骨细胞分化并促进骨形成， TGF-β能调节细胞增殖、分化和ECM合成，帮助组织再生。在类器官发育的整个分化和成熟阶段，需要使用各种生长因子和细胞因子，包括BMP-4、FGF-2、VEGFA、SCF、FLT3配体、IL-3、IL-6、G-CSF、EPO和TPO等。这些因子能够引导iPSC向所需谱系分化以及支持类器官内造血细胞的生长和成熟。诱导剂地塞米松可增强BMP-2诱导的成骨细胞分化和骨再生，β-甘油磷酸酯与地塞米松和抗坏血酸联合使用可显著改善骨质量。不同诱导剂之间的协同作用，能够改善骨骼和软骨再生环境（表1）。

表1 骨/软骨类器官中的细胞因子和诱导剂

3.4 骨/软骨类器官构建技术

生物打印技术能够制造出复杂的与天然骨骼和软骨组织非常相似的三维结构。这项技术不仅在复制骨骼和软骨组织复杂结构的异质结构方面特别有利，而且还通过纳米颗粒的整合进一步优化异质结构的构建。生物反应器可以精确调节温度、pH值、氧气水平和营养供应等，确保尽可能接近体内环境对于类器官的正常发育和维持至关重要。生物反应器可实现动态培养条件，可以改善骨/软骨类器官的成熟和功能，使其更适合临床应用。因此，使用生物反应器可以生产高质量、可重复的类器官。

4. 骨/软骨类器官的潜在应用

骨/软骨类器官在生物医学研究和治疗开发中具有广泛的应用。疾病模型的构建：类器官能够用于模拟骨关节炎、骨折和愈合、类风湿性关节炎、遗传性骨骼疾病以及软骨再生和修复等疾病。药物研发和个性化医疗：类器官可实现高通量药物筛选、药物预测和疾病机制的复杂研究，还能定制个性化医疗方案。生物材料评估和安全性测试：骨/软骨类器官可以评估生物材料和安全药理学，为材料和药物测试提供更具有生理相关性的背景。基因组和代谢组学分析：这些类器官有助于研究基因组改变和代谢途径，从而更深入地了解细胞反应和疾病状态。生物样本库和组织工程：骨/软骨类器官可以储存在生物样本库中以备将来研究，可用于基因组工程和代谢分析（图6）。

图6 骨/软骨类器官的潜在应用

5. 机器学习融入骨/软骨类器官的生物过程

人工智能（AI）因其能快速筛选和分析复杂数据集的能力，已成为组织工程领域的有力工具，也将成为未来骨/软骨类器官优化和功能增强的得力助手。AI算法可以分析复杂的数据集，以确定细胞生长、分化和类器官形成的最佳条件。这种方法允许快速筛选各种生物材料、生长因子和环境条件，最终导致开发更高效和有效的类器官构建方案。

首先，机器学习驱动 骨/软骨类器官的优化。通过预测关键变量，包括细胞选择、基质凝胶、组装技术和生物活性，然后将其输入到机器学习模型中。该模型可以将这些输入解码为优化类器官结构和生物特征的条件输出。对图像和组学分析等数据采集进行处理，通过反馈优化和体内验证微调类器官的开发过程。该算法不断从这个反馈循环中学习，改进对再生类器官的功能设计。同时预测骨/软骨类器官发展的迭代趋势，大致分为四个阶段：

阶段1.0：模拟生理特征，准确复制骨骼和软骨组织的基本生理特性，包括相似的细胞类型、ECM 成分和生物学功能。

阶段2.0：模拟疾病病理特征，用以研究疾病过程和对治疗的反应。

阶段3.0：模拟骨骼和软骨组织复杂的三维结构，用于研究这些组织的机械性能和功能整合。

阶段4.0：类器官模型转化为临床应用，包括药物检测、个性化医疗和再生医学等（图7）。

图7 将机器学习融入骨/软骨类器官的发育和进化

总结

本文重点介绍了骨/软骨类器官构建策略、研究进展和潜在应用。深入探讨骨/软骨类器官构建时，选择合适的细胞、基质凝胶、细胞因子/诱导剂以及构建技术是实现组织工程成功的关键。该领域仍存在固有挑战和局限性，潜在的解决方案包括使用生物打印进行类器官诱导以及使用 AI 改进筛选过程，以获得更复杂的骨/软骨类器官模型。这些类器官在骨/软骨发育、疾病建模、药物检测和治疗应用方面具有巨大的潜力。随着不断改进和标准化，骨/软骨类器官技术在生物医学工程和再生医学中的目标得以充分实现。

参考文献：

Bai L, Zhou D, Li G, Liu J, Chen X, Su J. Engineering bone/cartilage organoids: strategy, progress, and application. Bone Res. 2024 Nov 20;12(1):66. doi: 10.1038/s41413-024-00376-y. PMID: 39567500; PMCID: PMC11579019.

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来源：培养盒守护者