骨类器官研究综述

骨相关疾病如骨肉瘤、骨质疏松、骨关节炎和骨髓炎等影响着全球数千万人的健康，降低了患者的生存质量并造成巨大的社会和医疗负担。传统的骨研究模型主要依赖二维细胞培养和动物实验，但都存在固有缺陷。二维细胞培养无法维持细胞的原始特性，也无法准确描述和模拟天然微环境，如信号传导、空间结构变化、细胞外基质和细胞-环境相互作用。而动物实验虽然能模拟体内环境，但存在种间差异且成本高昂。为克服这些局限性，三维细胞培养技术应运而生。

骨类器官是基于生物活性材料，由干细胞通过定向分化和自组装形成的具有生物模拟空间特征、能够自我更新和自我组织的三维细胞培养系统。与传统的二维培养和动物实验相比，类器官能最大程度地模拟体内环境，反映细胞异质性，表现出与原始组织相似的生理和化学反应，并保持基因组稳定性。与其他三维培养模型相比，类器官能够实现自我组织和持续的长期培养，而不仅仅是单一的细胞成分和简单的设计。骨类器官的构建涉及三个主要要素：合适的细胞来源、适当的生物材料和合适的构建策略。近年来，3D生物打印和其他组织工程技术的发展为骨类器官的构建带来了新的机遇。

近期，华中科技大学同济医学院附属同济医院李麒麟/毛靖发布在Journal of advanced research期刊，题为Advancements in bone organoids: perspectives on construction methodologies and application strategies的综述性文章深入探讨了骨骼系统的基本构成、适宜骨再生的微环境、参与这些过程的复杂信号转导通路、构建骨类器官的策略及其潜在临床应用前景。

实验结果

1，骨类器官相关信号通路的系统性分析

研究详细阐述了多个与骨发育和再生相关的关键信号通路。BMP/Smad通路是骨形成的初始诱导因子，BMP-2/4/5/6/7都具有强大的成骨能力，其下游靶因子Runx2和Osx是促进成骨细胞分化和骨形成的重要因子。TGF-β通路除了经典的Smad2/3磷酸化途径外，还包括ERK-MAPK、p38/JNK、NF-κB、PI3K/AKT/mTOR和JAK-STAT等非经典途径。Wnt/β-catenin通路对所有成骨细胞谱系都至关重要，它抑制间充质干细胞向软骨和脂肪谱系的分化，增强其向成骨谱系的分化。OPG/RANK/RANKL通路是促进骨吸收的关键途径，其失衡与骨质疏松、骨关节炎等多种疾病的发生相关。

2，骨类器官构建的细胞来源与生物材料分析

细胞来源方面，原代成骨细胞是产生骨基质的主要细胞，但存在增殖率慢、寿命短、传代次数有限等缺点。间充质干细胞可来源于脐带、脂肪组织和骨髓等多种来源，其中骨髓间充质干细胞具有最高的成骨潜能。诱导多能干细胞能够克服间充质干细胞在骨治疗中的局限性，已成功构建复杂的骨髓类器官。胚胎干细胞具有类似于诱导多能干细胞的自我更新潜能和多能性，但存在伦理问题。骨膜来源细胞在成骨发育、稳态和修复中发挥关键作用。生物材料方面，Matrigel作为经典的细胞外基质，能让细胞自由生长和重塑环境，但存在成分复杂、批次间差异等缺点。天然聚合物材料如明胶、胶原蛋白和壳聚糖具有生物相容性好、毒性低、副作用少等优点。

3，骨类器官构建策略的技术创新

干细胞球体是一种较简单的三维模型，通过干细胞悬液的自组装或强制聚集创建，相比于单独的干细胞，球体更耐凋亡和血流中的剪切损伤。3D生物打印技术包括喷墨生物打印、挤出生物打印、激光辅助3D打印和光固化3D生物打印四种主要类型。理想的生物墨水应为不同成骨细胞的生长和分化创造支持性微环境，并具有足够的机械强度来复制骨组织的形态结构和承载能力。器官芯片技术结合了类器官和微流控芯片的优势，在精确的微环境调节、准确的多组织串扰模拟和异质性减少三个方面显示出优势。基因编辑技术特别是CRISPR-Cas9技术因其简单性、效率和多重基因组编辑能力而备受关注。人工智能技术在类器官构建中发挥越来越重要的作用，具有成本低、时间消耗短、重现性高、结果可靠等显著特点。

4，不同类型骨类器官的构建与表征

研究系统介绍了五种主要的骨类器官类型。骨髓类器官由自主形成空间排列三维结构的关键细胞类型组成，类似于造血微环境的细胞、结构和分子特征。小梁骨类器官是动态和多功能组织，调节矿物质稳态、造血和机械结构，以响应变化的物理应力和生理需求。愈伤组织类器官是在内软骨成骨过程中形成的软骨核心，在透明软骨形成、肥大、钙化、凋亡，然后血管化过程中发挥重要作用。软骨类器官覆盖骨端并提供润滑，对平滑关节运动和冲击吸收至关重要。编织骨类器官主要由不规则交错的胶原纤维定义，逐渐重塑为板层骨，能够密切监测细胞和基质形成过程。

5，骨类器官在疾病模型构建中的应用

骨类器官在多种骨相关疾病模型构建中显示出巨大潜力。在骨缺损模型中，可通过体外培养骨类器官然后局部破坏来模拟基本骨缺损环境，同时重现人体微环境而无需牺牲动物。在骨质疏松模型中，通过加入影响成骨过程的细胞因子，可以轻易调节骨类器官模型，使骨吸收比成骨发生得更快。在骨肿瘤模型中，通过将患者的肿瘤细胞引入类器官，可以动态监测肿瘤进展并为开发个性化治疗方案提供基础。在骨关节炎模型中，类器官可以重现关节组织的三维结构并调查关节软骨变性、滑膜炎症和关节僵硬等病理过程。在骨髓炎模型中，可以通过引入感染性致病菌来真实模拟骨髓炎的病理微环境。

6，骨类器官的临床转化应用前景

在骨再生修复方面，骨类器官可以精确匹配患者骨缺损的形态和结构，实现个性化治疗，移植物中生物材料和活性细胞的整合可以提高移植物的生物功能并促进骨缺损愈合。在药物筛选方面，骨类器官作为创新模型，可以模拟体内微环境，提供真实的药物反应数据，减少对动物模型的依赖，加速药物开发并降低成本。在精准医学方面，基于患者特异性基因组和表型特征构建个性化骨类器官，可以模拟个体疾病状态，通过深入研究这些个性化模型中的药物作用机制，识别与特定药物反应相关的关键分子靶点和信号通路。在生物安全性评估方面，骨类器官具有更接近天然骨组织的三维结构和生理功能，可以准确模拟体内微环境，有效观察植入物与骨组织的相互作用。

图1 骨类器官构建策略与临床应用

全文总结

本研究对骨类器官领域进行了全面而深入的综述，具有重要的科学意义和临床应用价值。首先，系统梳理了骨类器官构建的理论基础，包括骨组织的基本组成、微环境特征以及相关信号通路，为该领域的研究提供了坚实的理论框架。其次，详细分析了不同构建策略的优缺点，为研究者选择合适的技术路线提供了重要参考。第三，总结了骨类器官在疾病模型构建、药物筛选、精准医学等方面的应用潜力，展示了该技术的广阔前景。第四，指出了当前面临的主要挑战，包括血管化、多器官通讯、机械性能和标准化等问题，为未来研究方向提供了重要指导。本研究将推动骨类器官技术的进一步发展，促进其在再生医学、疾病建模和药物开发中的临床转化应用。