胶原-纳米羟基磷灰石三维培养系统的开发：重现骨细胞分化与组织矿化的体外模型

本研究针对传统2D培养无法模拟骨组织三维微环境的局限，开发了基于胶原-纳米羟基磷灰石（PSC-HA）的3D培养系统。通过整合胶原与无定形羟基磷灰石（HA）纳米颗粒，该模型成功再现了原代成骨细胞的骨细胞分化过程（DMP1+ /E11+ ）及组织矿化（micro-CT验证），为研究骨代谢、机械传感及药物筛选提供了更接近体内条件的平台。

　　

骨组织中的骨细胞（Osteocytes, Ot）是调控骨代谢的核心角色，它们通过复杂的树突网络感知机械刺激并分泌细胞因子（如SOST、RANKL）协调成骨细胞与破骨细胞活动。然而，由于骨细胞深埋于矿化基质中，传统二维（2D）培养难以模拟其三维（3D）微环境，导致细胞表型失真（如E11/gp38表达异常），而现有3D模型多缺乏胶原-矿物协同作用的关键组分。

为解决这一难题，普渡大学的研究团队开发了一种创新性的胶原-纳米羟基磷灰石（PSC-HA）3D培养系统。该系统通过将小鼠原代成骨细胞接种于不同硬度（250Pa/500Pa）和HA含量（0-28μg/mL）的胶原基质中，成功再现了骨细胞分化轨迹（从DMP1⁺
早期骨细胞到SOST⁺
成熟骨细胞）及组织级矿化过程。相关成果发表于《Biomaterials》。

研究采用四项关键技术：1）转基因小鼠模型（ROSA^{Dmp1-Cre/+;mT/mG}
）追踪DMP1驱动的骨细胞分化；2）共聚焦显微镜动态监测细胞活力与空间分布；3）微计算机断层扫描（micro-CT）定量矿化沉积；4）qPCR分析骨细胞标志物（FGF23、MEPE等）表达谱。

研究结果
Animal model generation
利用DMP1-Cre诱导的mT/mG报告系统，实现从红色荧光（mT，成骨细胞期）向绿色荧光（mG，骨细胞期）的可视化转换，证实分化进程与体内一致。

Cells seeded in the PSC-HA 3D culture system are viable on Day 3 and Day 56
250Pa-14HA和250Pa-28HA组维持>50%标记细胞存活率达8周，且细胞密度（D_H
）显著高于无HA对照组，表明矿物成分促进长期存活。

Discussion
胶原-HA基质不仅支持细胞增殖，更诱导出与体内相似的矿化模式（micro-CT显示矿物体积分数达15-20%）及基因表达谱（SOST⁺
细胞占比提升3倍）。

Conclusion
该模型首次实现胶原与HA的协同仿生构建，其250Pa-14HA组合在56天内同步完成骨细胞分化与矿化，为骨病机制研究（如骨质疏松）和药物测试提供了高保真平台。

重要意义
研究突破了2D培养的时空局限性，通过模拟天然骨ECM的化学-物理双重信号，揭示了矿物相（HA）对树突形成（E11⁺
）和细胞通讯（RANKL分泌）的调控作用，为组织工程骨构建及骨靶向治疗策略优化奠定了实验基础。