类器官基于组织工程在先进组织修复与重建中的应用综述

组织修复与重建旨在恢复受损组织的结构和功能，广泛应用于创伤、烧伤、肿瘤术后及先天性畸形等场景，但传统方法存在显著局限：自体移植面临供区损伤和组织短缺，异体移植存在免疫排斥和供体不足，人工植入物难以模拟天然组织功能。类器官作为干细胞自组织形成的三维微组织，能再现器官的结构复杂性和功能异质性，但缺乏支架支持导致形态和力学性能难以控制，限制其在承重组织修复中的应用。类器官技术与传统组织工程的融合，通过生物材料提供支架支持和微环境调控，有望突破各自局限，为复杂组织重建提供新策略。本综述系统探讨类器官基于组织工程(OBTE)的种子细胞、生物材料、先进构建技术及在多组织修复中的应用。

来自中南大学湘雅二医院的团队在《Materials Today Bio》期刊发表了题为“Organoid-based tissue engineering for advanced tissue repair and reconstruction “的综述。

核心内容如下：

种子细胞类型：

胚胎干细胞(ESCs)：具有全能性，可分化为多种细胞类型，用于视网膜、肠道等类器官构建，但存在伦理争议;

诱导多能干细胞(iPSCs)：通过重编程体细胞获得，避免伦理问题，支持患者特异性类器官构建，用于模拟发育和疾病;

间充质干细胞(MSCs)：源于骨髓、脂肪等，可分化为骨、软骨、脂肪细胞，支持类器官形成并调节免疫微环境;

成体细胞：如表皮细胞、软骨细胞等，用于构建组织特异性类器官，保留组织固有特征。

生物材料的作用：

天然生物材料(胶原、明胶、透明质酸等)：生物相容性好，提供细胞黏附位点，支持类器官自组织，但力学性能可控性差;

合成生物材料(PEG、PLA、PCL 等)：力学性能和降解速率可控，减少批次差异，用于构建承重组织支架;

复合生物材料(GelMA、胶原 - PCL 等)：结合天然材料的生物活性与合成材料的力学优势，调控类器官分化和成熟;

物理化学性质影响：材料刚度、孔隙率、表面拓扑结构通过力学信号调控干细胞 fate，应力松弛特性促进细胞增殖和分化。

先进构建策略：

3D 生物打印：精确沉积细胞和生物材料，构建复杂组织架构(如含血管通道的骨组织、分层皮肤)，支持类器官规模化生产;

微流控技术：通过微通道模拟生理流体环境，调控营养梯度和力学刺激(如剪切力)，促进类器官血管化和功能成熟，用于构建肾、肠等灌注依赖型类器官;

微载体：微尺度 3D 基质(如藻酸盐微球、明胶微凝胶)提供高比表面积，支持细胞附着和增殖，通过生物反应器实现类器官规模化培养，用于肺、骨等组织工程;

其他技术：磁性纳米颗粒通过磁场调控类器官空间定位和力学刺激;纳米纤维支架模拟细胞外基质结构，促进细胞互作和组织成形。

在各组织修复中的应用：

皮肤修复：构建含毛囊、汗腺的全层皮肤类器官，结合 3D 生物打印实现创面修复，通过血管内皮细胞共培养提升移植存活率;

骨修复：利用 BMSCs 和羟基磷灰石复合支架构建骨类器官，通过机械刺激促进矿化，修复临界尺寸骨缺损;

软骨修复：通过调控水凝胶黏弹性构建软骨类器官，结合抗衰策略(如 P16-siRNA)改善关节软骨修复效果;

神经肌肉修复：构建含神经肌肉连接的类器官，模拟神经支配和肌肉收缩功能，用于创伤后肌肉功能重建;

其他组织：脂肪类器官用于软组织填充和代谢调节，血管类器官促进移植组织血管化，肾、肠等类器官用于器官缺损修复和疾病建模。

实验结果

图 1：类器官构建流程与形态特征

内容：展示 iPSC 诱导肠类器官的分化过程(从细胞聚集到形成隐窝 - 绒毛结构)，上皮细胞与间充质细胞共培养形成毛囊类器官的动态变化，以及血管内皮细胞与干细胞共培养促进类器官血管化的过程。

图 2：生物材料对类器官形成的影响

内容：对比不同水凝胶(纤维蛋白、透明质酸、Matrigel)对肠干细胞类器官克隆形成的作用，显示纤维蛋白 + Matrigel 组合更优;展示海藻酸盐水凝胶应力松弛特性对间充质干细胞分化的调控，快速松弛促进成骨分化。

图 3：3D 生物打印与微流控系统应用

内容：ITOP 系统通过多材料打印构建含血管通道的骨组织支架，展示打印耳形结构的形态和细胞分布;微流控芯片通过流体聚焦技术制备含上皮和间充质细胞的胶原微球，用于毛囊类器官规模化生产。

全文总结

本综述系统阐述了类器官基于组织工程(OBTE)的研究进展，通过整合干细胞(ESCs、iPSCs、MSCs 等)、生物材料(天然、合成及复合基质)和先进技术(3D 生物打印、微流控、微载体)，实现了类器官在结构控制和功能成熟上的突破。OBTE 在皮肤、骨、软骨、神经肌肉等多组织修复中展现出临床潜力，如含毛囊的皮肤类器官促进创面修复、血管化骨类器官修复骨缺损。当前挑战包括类器官血管化不足、生物材料标准化欠缺及临床转化效率低，未来需结合基因编辑优化细胞功能、开发仿生支架模拟复杂微环境，并推动自动化培养平台建设，加速 OBTE 从基础研究到临床应用的转化。