類器官作為生物醫(yī)學界的'當紅炸子雞’,，雖然名聲在外，但不少人對它仍然是只聞其名,。今天，小學社帶你深入這篇上海交通大學醫(yī)學院團隊的高分綜述,，全面了解骨/軟骨類器官的最新研究進展,、開發(fā)路徑以及構(gòu)建策略，讓我們一起走進這個改變醫(yī)學未來的'小巨人’,！

骨和軟骨在促進運動和執(zhí)行各種生理功能等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。隨著人口老齡化,，骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎和嚴重的骨骼缺陷等疾病患病率不斷上升,。天然骨骼和軟骨固有的細微復雜性和多樣化的細胞構(gòu)成,，對于傳統(tǒng)二維（2D）細胞培養(yǎng)系統(tǒng)存在固有缺陷，往往容易模糊疾病的發(fā)病機制,，并阻礙了有效的干預治療,。

類器官來源于干細胞和祖細胞，可以部分反映其來源器官的結(jié)構(gòu)和功能,，從而提供與生理更加相關(guān)的系統(tǒng),。骨/軟骨類器官為傳統(tǒng)組織工程和2D細胞培養(yǎng)模型的許多局限性提供了解決方案。骨/軟骨類器官有可能成為再生醫(yī)學的創(chuàng)新材料,，在高通量藥物篩選中的應(yīng)用可以加速新療法的開發(fā),，以及為患者提供個體化治療方案。 因此,，骨/軟骨類器官的開發(fā)和改進對于促進人們對骨骼和軟骨生物學的理解,，以及顯著改善患者特異性治療策略具有重大前景（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)2D模型和類器官的比較

1．骨/軟骨修復過程中的細胞微環(huán)境

骨和軟骨修復中涉及的不同細胞微環(huán)境,。骨骼修復微環(huán)境由造血干細胞（HSC）,、骨祖細胞和巨噬細胞組成，它們分化為用于骨骼吸收的破骨細胞和用于骨形成的成骨細胞,。成骨細胞成熟為骨細胞和骨襯細胞,，在骨重塑、骨代謝,、以及適應(yīng)性響應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用,。軟骨修復微環(huán)境以軟骨細胞為主，軟骨細胞負責軟骨基質(zhì)的生成,。軟骨下的血管層支持營養(yǎng)交換,，這對軟骨的修復和再生至關(guān)重要（圖2）。

圖2 骨/軟骨修復中的細胞微環(huán)境

2．類器官的介紹和骨/軟骨類器官的開發(fā)

類器官是模擬生物體中器官特性的三維細胞結(jié)構(gòu),。類器官通常來源于干細胞,，結(jié)構(gòu)形式和功能上與其相應(yīng)的天然器官非常類似。雖然這些類器官不能被認為是真正的人體器官,，但它們的結(jié)構(gòu)和功能與人體器官高度相似,，并且可以在體外穩(wěn)定地傳代。

“類器官”一詞最早從1907 年被提出,，進展包括胚狀體的開發(fā)（1960）,、多能干細胞的分離（1981），但直到首次培養(yǎng)出小腸類器官（2009）和肝臟類器官（2013），標志著類器官研究進入快速發(fā)展期,。2021年培養(yǎng)出骨/軟骨類器官,，2023年使用透明質(zhì)酸和羥基磷灰石修飾的微載體和3D生物打印創(chuàng)建骨/軟骨組裝體。到2024年,，Jiacan等人使用GelMA/AlgMA/HAP復合生物墨水對大規(guī)模生物礦化骨類器官進行3D生物打印,，標志著骨組織工程的重大飛躍。

類器官技術(shù)的未來發(fā)展方向是組裝體,，它通過將多種類器官類型組合在一起,，能夠更真實地模擬復雜的組織相互作用。這種集成化的模型為更復雜的生物模擬和治療應(yīng)用提供了巨大的潛力（圖3）,。

圖3 類器官的簡史和骨/軟骨類器官的發(fā)展

3. 骨/軟骨類器官的構(gòu)建策略

骨/軟骨類器官的構(gòu)建涉及選擇合適的細胞,、基質(zhì)凝膠、細胞因子,、誘導劑和構(gòu)建技術(shù),，有效地復制這些組織的復雜結(jié)構(gòu)和功能，這是構(gòu)建骨/軟骨類器官的基礎(chǔ),，為再生醫(yī)學和組織工程進步提供有效途徑（圖4）,。

圖4 骨/軟骨類器官的構(gòu)建策略

3.1 細胞的選擇

選擇合適的細胞類型，例如BMSC,、iPSC,、成骨細胞、破骨細胞,、軟骨細胞和內(nèi)皮細胞,。BMSC和iPSC具有卓越的可塑性和再生能力，使其成為構(gòu)建骨/軟骨類器官的理想候選細胞,。軟骨類器官的構(gòu)建中,，骨髓來源的干細胞具有強大的增殖、再生和分化能力,，可以模擬天然軟骨組織固有的細胞組成和分層結(jié)構(gòu),。在軟骨組織工程中，MSC具有在多個方向上分化的多電位,，可以通過物理內(nèi)聚力和軟骨特異性分子信號傳導誘導,，產(chǎn)生具有軟骨特征的特定細胞外基質(zhì)的類器官。在骨組織工程領(lǐng)域中,，iPSC可以重編程為各種細胞類型,，構(gòu)建復雜的系統(tǒng)，同時保持一致的基因型,。此功能能有效地模擬患者特定的骨骼疾病,，促進藥物測試和開發(fā),。同樣，天然骨微環(huán)境中的MSC可以分化為成骨細胞,，為骨類器官構(gòu)建提供可靠的途徑。利用干細胞的這些獨特特性,，可以更有效地構(gòu)建與天然骨骼和軟骨組織緊密相似的類器官模型,。在骨骼和軟骨修復過程中，除了干細胞外,，其他效應(yīng)細胞在再生和重建過程中起著至關(guān)重要的作用,。在骨/軟骨類器官的構(gòu)建中，不同的骨相關(guān)細胞,，即成骨細胞,、破骨細胞、骨細胞,、軟骨細胞和內(nèi)皮細胞是不可或缺的,。這些細胞功能由復雜的信號網(wǎng)絡(luò)控制，對于成功設(shè)計功能性骨/軟骨類器官至關(guān)重要,，推動了再生醫(yī)學和組織工程的前沿發(fā)展,。

3.2 基質(zhì)凝膠的選擇

基質(zhì)膠（Matrigel）：包含關(guān)鍵的細胞外基質(zhì)成分，如層粘連蛋白,、IV 型膠原和依蘭蛋白,，通過整合素和生長因子受體相互作用促進干細胞粘附和增殖。膠原蛋白-水凝膠：膠原蛋白-水凝膠是將分離的間充質(zhì)干細胞（MSC）與膠原纖維結(jié)合,，形成一種能促進細胞分化和組織發(fā)育的支架,。PEG-水凝膠：具有轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（TG）交聯(lián)機制，利用PEG和透明質(zhì)酸（HA）形成功能化水凝膠環(huán)境,，支持骨髓基質(zhì)細胞（BMSC）和造血祖細胞（HPSC）的分化,。DNA-水凝膠：將RGD-絲狀纖維素和DNA系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成了一種微球水凝膠結(jié)構(gòu),，可將其集成到微流控芯片中,，用于精確的組織工程應(yīng)用（圖5）。

圖5 用于構(gòu)建骨/軟骨類器官的水凝膠系統(tǒng)概述

3.3 細胞因子和誘導劑的選擇

細胞因子和誘導劑在調(diào)節(jié)細胞行為,、促進分化和組織形成方面起著關(guān)鍵作用,。通過與細胞表面受體結(jié)合，它們能夠激活指導細胞發(fā)育的信號通路,。將這些因子加入基質(zhì)凝膠中對于類器官的初始形成和長期穩(wěn)定性都至關(guān)重要,。例如，BMP可以刺激成骨細胞分化并促進骨形成,， TGF-β能調(diào)節(jié)細胞增殖,、分化和ECM合成,，幫助組織再生。在類器官發(fā)育的整個分化和成熟階段,，需要使用各種生長因子和細胞因子,，包括BMP-4、FGF-2,、VEGFA,、SCF、FLT3 配體,、IL-3,、IL-6、G-CSF,、EPO和TPO等,。這些因子能夠引導iPSC向所需譜系分化以及支持類器官內(nèi)造血細胞的生長和成熟。誘導劑地塞米松可增強BMP-2 誘導的成骨細胞分化和骨再生,， β-甘油磷酸酯與地塞米松和抗壞血酸聯(lián)合使用可顯著改善骨質(zhì)量,。不同誘導劑之間的協(xié)同作用，能夠改善骨骼和軟骨再生環(huán)境（表1）,。

表1 骨/軟骨類器官中的細胞因子和誘導劑

3.4 骨/軟骨類器官構(gòu)建技術(shù)

生物打印技術(shù)能夠制造出復雜的與天然骨骼和軟骨組織非常相似的三維結(jié)構(gòu),。這項技術(shù)不僅在復制骨骼和軟骨組織復雜結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)方面特別有利，而且還通過納米顆粒的整合進一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,。生物反應(yīng)器可以精確調(diào)節(jié)溫度,、pH值、氧氣水平和營養(yǎng)供應(yīng)等,，確保盡可能接近體內(nèi)環(huán)境對于類器官的正常發(fā)育和維持至關(guān)重要,。生物反應(yīng)器可實現(xiàn)動態(tài)培養(yǎng)條件，可以改善骨/軟骨類器官的成熟和功能,，使其更適合臨床應(yīng)用,。因此，使用生物反應(yīng)器可以生產(chǎn)高質(zhì)量,、可重復的類器官,。

4. 骨/軟骨類器官的潛在應(yīng)用

骨/軟骨類器官在生物醫(yī)學研究和治療開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用。疾病模型的構(gòu)建：類器官能夠用于模擬骨關(guān)節(jié)炎,、骨折和愈合,、類風濕性關(guān)節(jié)炎、遺傳性骨骼疾病以及軟骨再生和修復等疾病,。藥物研發(fā)和個性化醫(yī)療：類器官可實現(xiàn)高通量藥物篩選,、藥物預測和疾病機制的復雜研究，還能定制個性化醫(yī)療方案,。生物材料評估和安全性測試：骨/軟骨類器官可以評估生物材料和安全藥理學,，為材料和藥物測試提供更具有生理相關(guān)性的背景,。基因組和代謝組學分析：這些類器官有助于研究基因組改變和代謝途徑,，從而更深入地了解細胞反應(yīng)和疾病狀態(tài),。生物樣本庫和組織工程：骨/軟骨類器官可以儲存在生物樣本庫中以備將來研究，可用于基因組工程和代謝分析（圖6）,。

圖6 骨/軟骨類器官的潛在應(yīng)用

5. 機器學習融入骨/軟骨類器官的生物過程

人工智能（AI）因其能快速篩選和分析復雜數(shù)據(jù)集的能力,，已成為組織工程領(lǐng)域的有力工具，也將成為未來骨/軟骨類器官優(yōu)化和功能增強的得力助手,。AI算法可以分析復雜的數(shù)據(jù)集，以確定細胞生長,、分化和類器官形成的最佳條件,。這種方法允許快速篩選各種生物材料、生長因子和環(huán)境條件,，最終導致開發(fā)更高效和有效的類器官構(gòu)建方案,。首先，機器學習驅(qū)動   骨/軟骨類器官的優(yōu)化,。通過預測關(guān)鍵變量,，包括細胞選擇、基質(zhì)凝膠,、組裝技術(shù)和生物活性,，然后將其輸入到機器學習模型中。該模型可以將這些輸入解碼為優(yōu)化類器官結(jié)構(gòu)和生物特征的條件輸出,。對圖像和組學分析等數(shù)據(jù)采集進行處理,，通過反饋優(yōu)化和體內(nèi)驗證微調(diào)類器官的開發(fā)過程。該算法不斷從這個反饋循環(huán)中學習,，改進對再生類器官的功能設(shè)計,。同時預測骨/軟骨類器官發(fā)展的迭代趨勢，大致分為四個階段：

階段1.0：模擬生理特征,，準確復制骨骼和軟骨組織的基本生理特性,，包括相似的細胞類型、ECM 成分和生物學功能,。

階段2.0：模擬疾病病理特征,，用以研究疾病過程和對治療的反應(yīng)。

階段3.0：模擬骨骼和軟骨組織復雜的三維結(jié)構(gòu),，用于研究這些組織的機械性能和功能整合,。

階段4.0：類器官模型轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，包括藥物檢測,、個性化醫(yī)療和再生醫(yī)學等（圖7）,。

圖7 將機器學習融入骨/軟骨類器官的發(fā)育和進化

本文重點介紹了骨/軟骨類器官構(gòu)建策略,、研究進展和潛在應(yīng)用。深入探討骨/軟骨類器官構(gòu)建時,，選擇合適的細胞,、基質(zhì)凝膠、細胞因子/誘導劑以及構(gòu)建技術(shù)是實現(xiàn)組織工程成功的關(guān)鍵,。該領(lǐng)域仍存在固有挑戰(zhàn)和局限性,，潛在的解決方案包括使用生物打印進行類器官誘導以及使用 AI 改進篩選過程，以獲得更復雜的骨/軟骨類器官模型,。這些類器官在骨/軟骨發(fā)育,、疾病建模、藥物檢測和治療應(yīng)用方面具有巨大的潛力,。隨著不斷改進和標準化,，骨/軟骨類器官技術(shù)在生物醫(yī)學工程和再生醫(yī)學中的目標得以充分實現(xiàn)。

參考文獻：

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.