《Advanced Healthcare Materials》：Bone Organoids Across the Development-to-Remodeling Continuum: From Tissue Formation to Functional Competence and Translation
编辑推荐：
骨类器官（bone organoids）正逐渐成为在受控条件下再现骨骼发育、组织构建及功能特定方面的三维骨骼模型。具有生理相关性的模型不仅需要细胞聚集和矿物质沉积，还必须逐步获得有序基质、多细胞互作、血管与代谢支持以及力学响应能力。本综述审视了指导骨类器官构建
骨类器官（bone organoids）正逐渐成为在受控条件下再现骨骼发育、组织构建及功能特定方面的三维骨骼模型。具有生理相关性的模型不仅需要细胞聚集和矿物质沉积，还必须逐步获得有序基质、多细胞互作、血管与代谢支持以及力学响应能力。本综述审视了指导骨类器官构建的发育原理，包括骨骼层级结构、细胞微环境、成骨路径及时空信号传导。随后，我们讨论了基于骨骼细胞、间充质基质细胞（mesenchymal stromal cells, MSCs）及多能干细胞（pluripotent stem cells）的现行策略，以及生物材料、三维生物打印、灌注和微流控培养方面的进展。为系统梳理上述进展，研究人员引入了发育至重塑连续谱（development-to-remodeling continuum, DRC）框架，用以区分组织形成与多细胞整合、适应性响应及重塑能力。研究人员评估了胶原-矿物组织、骨细胞网络形成、血管与代谢成熟、成骨细胞-破骨细胞偶联、骨髓与免疫整合以及力学适应等方面。进一步评价了其在发育与疾病建模、药物评估、个体化建模及骨再生中的应用。当前局限性包括变异性、成熟不完全、转运限制及功能基准评价不足。通过将构建策略与特定骨相关功能及其支持证据相关联，DRC为评估功能主张与预期应用及转化就绪度之间的关系提供了框架。
1 引言
骨类器官是在受控条件下通过干细胞或组织驻留祖细胞自组织形成的三维多细胞结构，可再现其来源组织的特定特征。本综述将骨类器官与相关三维骨骼模型进行操作性区分，其核心依据在于多细胞互作、基质组织及组织架构是否通过内源性生物学自组织而涌现。工程化骨构建物主要由外部规定的支架结构或细胞图案化所决定，而骨芯片（bone-on-a-chip）系统则通过微生理控制实现灌注、区室化及环境线索的调控。骨髓类器官则聚焦于基质-造血龛组织。三维骨骼球体或聚集体在仅证明细胞聚集而无明确骨骼组织架构涌现时被单独对待。这些类别并非互斥，生物材料、生物打印和微流控技术可促进内源性组织自组织，而含类器官的微生理平台则可结合自组织组织与外部调控环境。骨类器官构建的挑战反映了骨骼的层级组织及其整合的力学、代谢和内分泌功能。皮质骨与松质骨在结构和承载作用上存在差异，骨膜和骨髓区室提供不同的祖细胞和微环境。成骨细胞形成新基质，破骨细胞通过M-CSF和RANKL依赖性分化吸收矿化组织，基质包埋的骨细胞检测力学刺激并协调适应性重塑。内皮细胞参与分子转运和血管生成-成骨偶联，免疫和造血细胞调节破骨细胞生成、炎症和修复。因此，骨类器官成熟度不仅应通过矿物形成评价，还应考察模型是否再现骨骼细胞、基质和支持性微环境之间的相关空间及功能互作。
2 发育与生物学基础
2.1 骨的层级组织与细胞微环境
骨在多个长度尺度上组织，从矿化胶原纤维和板层到骨单位、小梁网络和解剖学上不同的组织区室。致密皮质骨提供承载刚性，而多孔松质骨在容纳骨髓和血管空间的同时分布力学力。骨膜形成血管化、富含祖细胞的界面，参与骨骼生长和修复。骨基质主要由I型胶原纤维和矿物晶体组成，胶原提供抗张阻力并作为矿物沉积模板，羟基磷灰石贡献刚度和抗压强度。骨稳态依赖于多种细胞群体的协调互作，包括成骨细胞、破骨细胞和骨细胞，以及内皮、免疫和造血细胞。
2.2 膜内成骨与软骨内成骨
骨骼组织通过两条主要发育路径形成。膜内成骨中，间充质祖细胞直接分化为成骨谱系细胞，主要贡献于颅面和扁骨形成。软骨内成骨则通过瞬时软骨模板进行，构成大多数长骨发育的基础，经历间充质细胞分化为软骨细胞、肥大软骨细胞修饰并钙化细胞外基质、血管侵入引入成骨祖细胞和重塑细胞、钙化软骨逐步被初级骨替代的阶段性过程。这两条路径为骨类器官设计提供了不同框架：直接成骨模型适合研究骨样组织形成和颅面或扁骨特性，而软骨内模型保留软骨阶段，更适合研究生长板、长骨发育和骨折愈伤组织成熟。
2.3 发育信号与空间图案化
骨发育由在祖细胞凝聚、谱系特化、基质沉积和血管侵入过程中变化的信号网络控制。在成骨区域内，BMP、TGF-β和Wnt通路调控谱系进展的重叠阶段。BMP信号激活SMAD1/5/8依赖性成骨程序，涉及RUNX2和OSX。经典Wnt/β-catenin信号支持成骨细胞定型，而非经典Wnt线索将黏附和力学感知与干细胞分化联系起来。软骨形成区域需要不同的序列，IHH–PTHrP反馈环协调软骨细胞增殖和肥大，维持有序生长同时延迟过早终末分化。血管图案化同样受氧、生长因子和力学输入调控，缺氧响应性HIF信号促进VEGF相关的血管生成-成骨偶联。这些通路在骨类器官构建中具有相关性，前提是其空间和时间组织得以再现。
3 构建与生物工程策略
3.1 细胞来源与自组织培养
细胞来源决定骨类器官的发育潜能、细胞复杂性和可重复性。谱系定型的骨骼细胞可直接获取基质形成和骨细胞互作，但发育范围较受限。间充质干细胞或基质细胞可扩增、聚集并定向至成骨或软骨谱系，标准化方案可生成三维聚集体，逐步沉积细胞外基质和矿化骨样组织。人多能干细胞提供更广泛的发育可塑性，分阶段分化可生成含骨骼基质和造血支持成分的骨髓类器官，以及整合神经、肌肉和骨骼组织的神经肌肉骨骼类器官。细胞组合也可针对特定微环境功能进行选择，如工程化人微型骨用于模拟造血、白血病和转移定植。
3.2 生物材料与基质工程
生物材料建立骨类器官发育所需的生化、力学和转运环境。天然和组织来源的基质提供复杂生化和结构线索，但其变异性可能限制成分控制和批次可重复性。水凝胶允许细胞包封，同时可调节基质组成、力学和降解。颗粒状和微孔基质提供互连空隙，改善转运和细胞移动。生物活性基质可作为发育信号的储库。基质需求在成熟过程中变化，早期凝聚和软骨形成需要允许性、可重塑环境，而后期成骨需要增加支撑和受控矿物积累。
3.3 三维生物打印与结构图案化
三维生物打印可根据数字设计沉积细胞、生物材料和信号组分，产生具有可重复外部几何和内部结构的构建物。生物墨水设计须平衡形状保持与细胞存活、迁移和基质重塑。生物打印还可组装预制类器官单元，如预血管化骨类器官作为血管化细胞构建块用于颅骨重建。结构图案化可在工程化骨骼构建物中再现特定骨骼特征。打印几何还影响力传递，长期加载促进矿化、构建物硬化和骨细胞相关特征。
3.4 灌注、微流控与动态培养系统
静态三维培养主要依赖被动扩散，随着构建物增大和矿化基质积累而日益受限。灌注和微流控系统引入受控培养基流动、空间限制和持续营养及气体交换。灌注生物反应器在延长培养期间更新营养并去除代谢产物。流动还产生剪切应力、压力梯度和基质变形。微流控区室化允许不同细胞、基质或信号环境在明确界面上通信。集成传感器可实现氧、代谢物和可溶性介质的纵向监测。动态系统应根据其生物学功能进行选择，连续灌注主要改善转运，脉动流提供力学刺激，区室化芯片允许梯度和组织通信分析，传感器支持纵向观察。
4 发育至重塑连续谱中的功能成熟
在DRC框架内，生物学成熟度和证据状态被视为相关但不同的概念。生物学连续谱描述四种功能属性的获得：组织形成、多细胞整合、适应性响应和重塑能力。形成、转变和重塑证据是操作性类别，描述研究直接证明了什么。这些类别并非固定成熟等级，也不应被解释为每个模型必须完成的普遍序列。重塑能力有意地比经典骨重塑更广泛，但比任何对扰动的泛化响应更窄。经典骨重塑需要空间和时间上偶联的破骨细胞介导吸收后成骨细胞介导基质替代。
4.1 基质组织、矿化与骨细胞成熟
基质沉积和矿化是骨类器官研究中的常见结果，但含钙沉积物本身不能证明成熟骨形成。天然骨的力学性质源于胶原纤维、矿物纳米晶体和板层或小梁结构的层级整合，而非矿物含量本身。矿物染色、碱性磷酸酶活性和成骨标志物表明谱系进展，但对胶原取向、矿物定位或有机-无机整合提供的信息有限。基质成熟应通过矿物数量和空间组织两方面评估。材料组成本身可能混淆基质形成的证据，含羟基磷灰石、钙-磷相或骨来源基质颗粒的构建物中，终点矿物染色、微CT衰减和体积钙测量可能反映既有材料以及新沉积矿物。新合成骨基质的声称应锚定至时间零点构建物基线和匹配的无细胞构建物，并结合纵向成像和新有机基质合成或脉冲标记矿物沉积的证据。基质成熟还与成骨细胞向骨细胞转变相关，令人信服的证据应结合基质包埋、连续标志物表达和突起连通性。
4.2 血管与代谢成熟
血管化支持骨类器官的活力、尺寸和生理相关性，但内皮细胞纳入本身不能建立血管成熟度。预血管化构建物含有预制内皮或血管样网络，但不一定表现出功能性流动。可灌注体外构建物证明血管通道通畅，并实验验证培养基或示踪剂通过网络转运。宿主整合或吻合的体内构建物显示构建物相关血管与植入后宿主循环之间的功能连续性。血管丰度或代谢拯救本身不足，VEGF剂量可改变血管生成与成骨之间的平衡。血管和代谢成熟应通过内皮身份、灌注、通透性、氧分布、代谢状态和空间成骨反应的互补测量进行评估。
