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该综述聚焦肌肉骨骼（MSK）类器官，阐述其在疾病建模、再生医学和药物测试中的应用。介绍了 MSK 类器官的制备、表征，探讨细胞来源、基质、生化及生物物理信号等要素，分析挑战与前景，为 MSK 疾病研究和治疗提供新方向。
肌肉骨骼类器官的研究进展与应用前景
1. 肌肉骨骼疾病的未满足医疗需求
肌肉骨骼（MSK）疾病涵盖骨、软骨、肌肉、肌腱等组织病变，全球三分之一人口受其影响，是致残主因。常见疾病如骨质疏松、骨关节炎（OA）、类风湿关节炎（RA）、肌肉萎缩等，因发病机制复杂、组织再生能力差（如关节软骨和椎间盘再生能力极低），现有治疗手段有限。疾病异质性要求个性化研究模型，而传统动物模型与人体生理差异大，体外二维培养难以模拟体内微环境，亟需更具临床相关性的模型。
2. 类器官：新兴的疾病研究模型
类器官是通过干细胞或祖细胞自组织形成的三维结构，能模拟天然组织的结构和功能。与传统三维培养相比，其细胞组成更复杂、功能更成熟，已在肿瘤等领域展现个性化诊疗潜力。MSK 类器官研究虽起步较晚，但近年发展迅速，可模拟骨骼、软骨、肌肉等组织，为研究 MSK 疾病机制和治疗提供新工具。
3. 肌肉骨骼类器官的关键要素
3.1 细胞来源
- 原代细胞：如成骨细胞、软骨细胞等，可直接用于构建对应组织类器官，但存在获取困难、增殖能力有限等问题。
- 多能干细胞（PSCs）：包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs），能分化为多种 MSK 细胞，iPSCs 源自患者体细胞，无伦理争议，在个性化模型中潜力显著。
- 成体干细胞：间充质干细胞（MSCs）最常用，可分化为骨、软骨、脂肪等细胞，来源广泛（如骨髓、脂肪组织）；卫星细胞用于骨骼肌类器官，促进肌肉再生。
3.2 基质材料
基质为细胞提供物理支撑和信号传导，分为天然基质（如 Matrigel、胶原、海藻酸盐）和合成基质（如聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物）。天然基质生物相容性好但成分复杂，合成基质可精准调控理化性质。例如，脱矿骨基质用于骨类器官模拟骨重建，凝胶甲基丙烯酸酯（GelMA）用于软骨类器官构建。
3.3 生化与生物物理信号
- 生化信号：生长因子如骨形态发生蛋白（BMP）、转化生长因子 -β（TGF-β）诱导细胞分化；小分子如辛伐他汀调节骨代谢，kartogenin（KGN）促进软骨再生。
- 生物物理信号：基质硬度、孔隙率、机械刺激（如流体剪切力、周期性拉伸）影响细胞行为。例如，微重力模拟可诱导骨类器官骨丢失，超声驻波引导肌细胞定向排列。
4. 肌肉骨骼类器官的最新进展
4.1 骨类器官
- 支架依赖型：利用脱矿骨、羟基磷灰石等支架，结合成骨细胞和骨髓细胞，模拟骨重建周期；生物打印技术构建含血管的复合支架，促进骨再生。
- 无支架型：通过间充质干细胞自组装形成 “骨痂类器官”，经软骨 - 骨转化修复骨缺损；诱导多能干细胞经软骨内成骨途径生成骨组织。
4.2 软骨类器官
- 干细胞（如 iPSCs、MSCs）经 TGF-β 等诱导分化为软骨细胞，自组装形成软骨类器官，可修复关节缺损。
- 基因编辑技术（如 CRISPR/Cas9）构建疾病模型，如 COL11A1 突变的软骨类器官用于发育性髋关节发育不良（DDH）研究。
4.3 骨软骨类器官
模拟骨 - 软骨界面结构，采用双层支架或自组装技术，一侧诱导成骨、另一侧成软骨，用于修复全层关节缺损。例如，羟基磷灰石 - 透明质酸微凝胶引导间充质干细胞分化为骨和软骨组织。
4.4 肌腱与韧带类器官
利用成纤维细胞或肌腱干细胞，在 TGF-β3 和机械拉伸下构建肌腱类器官，模拟肌腱损伤修复；牙囊细胞用于韧带类器官，展现更强成韧带能力。
4.5 脂肪与滑膜类器官
脂肪类器官用于代谢疾病研究，如米色脂肪类器官改善胰岛素抵抗；滑膜类器官源自类风湿关节炎（RA）患者成纤维细胞，模拟滑膜炎症，筛选抗炎药物。
4.6 骨骼肌类器官
iPSCs 分化为肌细胞，结合神经细胞构建神经肌肉类器官，模拟重症肌无力（MG）等疾病；与皮层、脊髓类器官组装形成功能化神经肌肉环路，研究运动神经元调控。
5. 肌肉骨骼类器官的应用
5.1 再生医学
- 骨和软骨类器官修复骨缺损和关节损伤，如 “骨痂类器官” 修复长骨缺损，异体 iPSC 软骨类器官在灵长类模型中实现软骨再生。
- 骨骼肌类器官移植促进肌肉再生，脂肪类器官改善代谢指标。
5.2 疾病建模
- 骨类器官模拟骨质疏松、肿瘤骨转移；软骨类器官构建 OA、RA 模型，研究炎症对软骨代谢的影响。
- 神经肌肉类器官模拟杜氏肌营养不良（DMD）、重症肌无力，分析细胞间相互作用和药物反应。
5.3 药物测试
- 高通量筛选 OA 药物，如 IL-1 受体拮抗剂（IL-1Ra）在软骨类器官中抑制分解代谢；神经肌肉类器官评估肌无力治疗药物的钙信号调控。
- 个性化模型测试患者特异性药物反应，减少动物实验需求。
6. 挑战与未来方向
6.1 生理相关性提升
- 细胞成熟度：干细胞分化不全导致功能不成熟，需优化分化方案（如机械刺激、单细胞测序指导）。
- 多组织互作：构建含血管、神经的复杂类器官，模拟肌腱 - 骨界面等结构，需解决营养供应和细胞通讯问题。
- 尺寸限制：现有类器官多为毫米级，需开发生物打印等技术构建厘米级组织，满足临床修复需求。
6.2 集成化与标准化
- 血管化与神经化：共培养内皮细胞、施万细胞，或利用生物反应器模拟血流和神经信号。
- 免疫互作研究：整合免疫细胞，研究 MSK 组织与免疫系统的相互作用，如 RA 中滑膜 - 免疫细胞通讯。
- 生产标准化：规范细胞来源、基质成分和培养条件，开发无动物成分的合成基质，利用人工智能（AI）优化诱导方案。
6.3 个性化与精准医学
- iPSCs 结合基因编辑构建患者特异性类器官，如携带 OA 相关突变的软骨类器官，用于个体化药物筛选。
- 多组学分析（基因组、蛋白质组）指导精准治疗，通过 AI 预测药物反应，加速个性化疗法开发。
7. 结论
肌肉骨骼类器官技术为 MSK 疾病研究带来革命性突破，其在再生医学、疾病建模和药物开发中的应用前景广阔。未来需通过跨学科合作，解决成熟度、标准化和临床转化等挑战，推动类器官技术从实验室走向临床，为千万 MSK 疾病患者带来新希望。
