压力驱动的牙骨质细胞芯片：成熟依赖性的分泌表型与压缩诱导的分泌调节

《Biomaterials Advances》：Pressure-actuated cementocyte-on-chip: Maturation-dependent secretory phenotype and compression-induced secretory regulation

　　• 一种三维牙骨质细胞芯片集成了长期成熟与可控压缩。• 成熟的牙骨质细胞样细胞在短期机械加载中保持表型。• 压缩选择性重塑OCN、SOST、OPG和RANKL的分泌反应。• 较低与较高压缩引发不同的OPG/RANKL信号特征。• 该平台能够对根侧牙骨质细胞力学生物学进行可控研究。引言正畸牙齿移动依赖于牙周组织重塑，但过大或不均匀的力可使这一适应过程转向正畸诱导的炎性牙根吸收（OIIRR）。OIIRR可导致牙骨质和牙本质的不可逆丧失。因此，除了理解正畸力如何驱动牙周组织重塑之外，另一个力学生物学问题是：在力学扰动下，矿化根区室如何在牙根保存与吸收之间维持或转变其信号平衡[1], [2], [3]。骨保护素/核因子κB受体活化因子配体（OPG/RANKL）轴为该过程提供了有用的读数：RANKL促进破骨细胞和破牙骨质细胞分化，而OPG作为诱饵受体限制RANKL信号传导。因此，该平衡的转变可指示局部信号是偏向保存还是吸收。牙骨质细胞现被视为活跃的力学敏感细胞，而非牙骨质中的被动占据者，但其在力诱导重塑中的作用仍不如牙周膜、骨或炎症细胞那样明确[1], [4], [5], [6]。牙骨质细胞包埋于细胞性牙骨质中，因此定位于牙根吸收过程中受累的矿化根区室中，其位置、力学敏感特性以及对OPG/RANKL轴的调控，使其成为研究根区室力学生物学这一特定方面的重要对象。IDG-CM6细胞系保留了成熟牙骨质细胞标志物并对力学刺激有响应，为牙骨质细胞生物学提供了可行的实验模型[7], [8]。因此，该细胞系适用于探究牙骨质细胞样群体能否在受控三维环境中获得稳定的分泌状态，以及该状态在加载后如何变化。现有模型不能完全支持这一问题的解答。二维培养缺乏矿化组织的结构、传输和基础力学背景，而支架系统虽改善了结构，但流体传输和加载条件往往定义不清[9], [10]。动物模型对于组织水平生物学研究仍然不可或缺，但并非为分离牙骨质细胞特异性行为而设计。器官芯片系统代表了一种有用的中间方法，整合了受控灌注、生物材料和力学刺激。口腔和矿化组织芯片已证明此类微生理平台能够在受控条件下模拟牙科、牙周和矿化组织的反应[11], [12], [13], [14]。相关平台还包含了传统培养系统难以实现的上皮、免疫、血管和组织界面特征[15], [16], [17], [18]。其他牙科和颅面器官芯片研究进一步支持将生物材料、灌注和空间组织相结合用于组织特异性建模的价值[19], [20], [21], [22]。微流控和器官芯片方法也已应用于骨、牙科和生物材料研究等更广泛领域，凸显了其在受控力学生物学分析中的效用[23], [24], [25], [26]。近期基于芯片和支架辅助的系统继续拓展矿化组织培养与刺激的设计空间[10], [27], [28], [29]。现有牙周微生理模型对于研究整合性牙周生理、血管化、炎症反应以及宿主细胞与微生物间的相互作用具有重要价值。其中一些系统中的动态灌注还提供了与流体剪切相关的力学线索。然而，直接针对矿化根区室内细胞反应的受控叠加压缩仍相对缺乏。因此，本平台引入了一种压力驱动的加载框架，使驻留于牙根的牙骨质细胞样群体能够在三维条件下培养，随后接受分级压缩。该设计为解决牙骨质细胞相关的力学生物学反应提供了工具，并为未来正畸重塑多细胞模型建立了力学可控的基础。据此，本研究的主要目标是探究根区室内牙骨质细胞的力学生物学，并为后续纳入牙周膜细胞、牙槽骨相关细胞及其他相关群体，构建更整合的正畸重塑模型提供基础。在此，我们提出了一种多层PDMS微流控装置，结合重力驱动灌注、可变形膜和由气压控制的压缩。该三维微流控平台能够支持与牙骨质细胞成熟相关的分泌状态的发展，随后分级压缩可根据压缩幅度调控该状态，其中OPG/RANKL轴作为与牙根吸收相关的力学生物学读数。章节片段材料PDMS预聚物（Sylgard 184，Dow Corning，Midland，MI，USA，或等效产品）、市售50 μm PDMS膜、载玻片和盖玻片用于微流控芯片的制造与组装。分化培养基同时用作压缩加载过程中的加压流体。注射器、管路和两通旋塞用于将压力室连接到加载系统。IDG-CM6细胞在添加胎牛血清的α-MEM培养基中培养。压力驱动多层微流控芯片的设计概念与构建我们制造了一种压力驱动的多层微流控芯片，用于IDG-CM6细胞的长时程三维培养及随后的机械压缩。该装置包括上层压力室、可变形PDMS膜和下层细胞培养室，培养室与灌注通道及外部储液池相连（图1，芯片详细设计见图S1）。对于细胞培养层，设计了相引导结构以将组织区室与培养区隔开。讨论本研究探究了三维牙骨质细胞芯片能否在长时程灌注培养中支持IDG-CM6成熟，以及所得细胞状态是否仍对受控压缩保持响应。该芯片支持了持续的细胞活力、三维组织化和进行性成熟相关发育。在建立该表型后，对无加载、较低压缩和较高压缩三维培养物进行了直接比较。结论我们建立了一种压力驱动的三维微流控牙骨质细胞芯片平台，用于IDG-CM6细胞的长时程培养和受控力学刺激。该平台维持了细胞活力，支持三维组织化和成熟相关发育，并产生了与常规二维培养不同的分泌谱。对无加载、较低压缩和较高压缩三维培养物的直接比较进一步表明……CRediT作者贡献声明陈燕军：初稿撰写、可视化、验证、软件、项目管理、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。周晨阳：可视化、验证、软件、数据管理。孟小倩：数据管理。袁维妮：数据管理。张恒静：数据管理。王晓林：审阅与编辑、监督、资源、项目管理。赵宁：审阅与编辑、监督、资源、项目管理。伦理批准与组织来源所有动物相关程序及动物牙齿/牙根标本的使用均经上海交通大学医学院附属第九人民医院实验动物伦理委员会审查批准（批准号：SH9H-2025-A17-1）。动物使用方案依据中国国家标准《实验动物—动物福利伦理审查指南》及国家实验动物福利伦理相关规定执行。利益冲突声明作者声明，不存在已知的与本论文所报告工作相冲突的经济利益或个人关系。致谢本工作受国家自然科学基金（批准号：82171011，赵宁）；国家重点研发计划（2024YFC2510705）；上海交通大学医学院附属第九人民医院临床研究门诊部发展项目（2025CROC03）；上海市申康医院发展中心促进市级医院临床技能与临床创新三年行动计划（批准号：……）资助。陈燕军|周晨阳|孟小倩|袁维妮|张恒静|王晓林|赵宁