《Results in Engineering》：Oral Organoids: Revolutionary Platform in Dental and Craniofacial Research
编辑推荐：
口腔类器官已成为牙科与颅面研究中一个变革性的平台，能够忠实地再现天然组织的结构、细胞异质性和疾病表型。在本综述中，研究人员摒弃了传统的叙述性总结，转而提出一个系统性的工程框架，将口腔类器官的生成重新概念化为一个从设计到制造的过程。该领域被组织为四个相互关联的工
口腔类器官已成为牙科与颅面研究中一个变革性的平台，能够忠实地再现天然组织的结构、细胞异质性和疾病表型。在本综述中，研究人员摒弃了传统的叙述性总结，转而提出一个系统性的工程框架，将口腔类器官的生成重新概念化为一个从设计到制造的过程。该领域被组织为四个相互关联的工程模块：(1) 设计输入：干细胞（成体干细胞和iPSC来源的干细胞）被视为具有明确性能特征的原材料；(2) 过程控制：关键的信号通路（Wnt、BMP、FGF、Hedgehog、Notch）作为具有动态反馈的可调参数进行管理；(3) 制造平台：基质胶包埋、气液界面和微流控芯片作为具有不同可扩展性、可重复性和自动化潜力的制造技术进行比较；(4) 质量保证：对形态学和功能标准化所出现的新兴标准，对于转化应用至关重要。基于这一视角，研究人员重新评估了当前的类器官类型（釉质/牙本质/牙髓、牙周、黏膜、颌骨、唾液腺）及其在发育、疾病建模、再生和药物筛选中的应用。研究人员进一步识别了关键的瓶颈（血管化、神经支配、成熟、可重复性），并将未来的方向映射到技术就绪水平路线图上，涵盖从生物材料优化和多器官组装到智能制造（CRISPR、单细胞多组学、3D生物打印）以及临床转化基础设施（生物样本库、标准化扩增和冷冻保存）。通过将口腔类器官研究界定为一门工程学科，本综述提供了一个具有凝聚力的概念路线图，使其区别于先前的综述，并旨在加速从实验室发现向精准牙科和颅面治疗的转变。
1. 引言
过去十年，体外组织建模经历了从二维（2D）单层培养、动物模型再到三维（3D）类器官系统的范式转变。2D培养虽支持高通量机制研究，但无法重现组织架构、细胞-细胞/细胞-基质相互作用以及氧和营养物质的时空梯度；动物模型则受物种差异限制，尤其是在口腔研究领域，其牙齿解剖、咬合力学和口腔微生物组与人类存在显著差异。口腔是人体中最复杂的器官系统之一，包含体内最坚硬的釉质、再生能力有限的牙本质-牙髓复合体，以及牙周组织、口腔黏膜和唾液腺等特化结构。口腔类器官的出现为研究组织发育、形态发生以及再生医学提供了新途径。本综述提出一个工程框架，将类器官生成视为从设计到制造的过程，包括设计输入、过程控制、制造平台和质量保证四个模块。
2. 口腔类器官的核心
2.1. 细胞来源的工程化获取与扩增
口腔类器官的培育依赖两种工程化细胞来源：成体干细胞和诱导多能干细胞（iPSCs）。成体干细胞包括牙髓干细胞（DPSCs）、牙周膜干细胞（PDLSCs）、根尖乳头干细胞（SCAPs）、唾液腺干细胞和口腔上皮干细胞，它们具备组织特异性分化潜能，但天然丰度低且扩增能力有限。工程策略通过优化生物反应器中的动态培养参数（接种密度、氧分压、机械载荷）和建立无饲养层扩增系统，实现高效扩增和批次间一致性分化。iPSCs通过重编程技术获得，提供无限的细胞来源；工程重点在于开发可重复的定向分化方案，利用小分子化合物库和微图案化底物引导iPSCs沿口腔谱系分化，从而获得难以从组织中直接分离的稀有细胞类型。
2.2. 信号通路的动态工程控制
口腔类器官的形态发生依赖Wnt、BMP、FGF、Hedgehog和Notch等关键信号通路的精确时空调控。这些通路在天然口腔器官发育中形成复杂调控网络，决定细胞命运、空间组织和功能分化。工程控制不仅是在培养基中加入固定浓度的激动剂或拮抗剂，还引入可编程递送系统以实现信号的动态、时空可调呈现；结合实时传感反馈（如荧光报告系统或电化学传感器），研究人员可对通路活性实施闭环控制，模拟自然发育中信号强度的动态波动。此外，通过设计具有特定力学性能和配体呈递能力的细胞外基质（ECM）支架，可利用物理线索协同调控通路响应，从而将传统“配方型”培养转变为“参数型”精密工程。
2.3. 集成培养与自动化工艺系统
口腔类器官的可规模化生产和功能成熟依赖于三种工程平台：基质胶（水凝胶）三维支架培养、气液界面组织构建和微流控芯片动态灌注系统。基质胶包埋法将干细胞悬浮于富含细胞外基质的凝胶中，但其批次间差异和有限可调性促使工程改进方向转向可定制的合成水凝胶（可控刚度、降解速率和配体密度）和高通量微孔阵列，以实现类器官大小和形态的均一化。气液界面培养通过多孔膜创造细胞-培养基界面，特别适用于口腔黏膜类器官；工程优化聚焦于膜材料表面微纳加工和自动化换液系统，维持稳定的气暴露和营养梯度，促进上皮分层和角化。微流控芯片技术是集成工程的前沿，包括浓度梯度发生器、蠕动泵、温度控制器和在线成像窗口，能精确控制流体剪切力、营养供给和代谢废物清除，支持并行培养和实时监测，为动态药物筛选、力学刺激响应研究及多器官共培养提供了可控且标准化的硬件平台。
3. 口腔类器官的类型
3.1. 釉质/牙本质/牙髓
该类器官旨在再现牙齿的核心功能单位，通过模拟天然牙齿发育中的上皮-间充质相互作用。研究人员将口腔上皮细胞与成牙本质间充质干细胞共培养，诱导形成类似成釉器样的三维结构，进而分化为成牙本质细胞样细胞，分泌牙本质样基质并表达牙本质涎蛋白（DSP）等特异性标志物。然而，完全矿化的釉质形成尚未实现。该模型为研究牙齿发育机制和筛选促进牙本质再生的药物提供了重要平台，为全牙再生奠定了基础。
3.2. 牙周
牙周类器官系统旨在模拟牙周组织的复杂多组织界面。研究人员已成功诱导细胞分化为成牙本质细胞、牙周膜成纤维细胞和成骨细胞等不同谱系。近期进展表明，利用3D打印技术构建的分层支架能更有效地模拟成牙本质细胞-牙周膜-牙槽骨复合体的空间结构，促进相应区域的细胞定位和功能表达。尽管完整再现牙周组织的精细结构仍具挑战，但这些类器官已成为研究牙周组织发育、阐明牙周炎病理机制以及筛选促进牙周再生药物的有效工具。
3.3. 黏膜
口腔黏膜类器官旨在重建复层鳞状上皮的完整结构和功能，已成功模拟上皮分层和角化过程。这些类器官维持上皮干细胞的自我更新能力，并表现出正常的屏障功能和伤口愈合反应。近来，引入免疫细胞共培养系统进一步扩展了其在口腔扁平苔藓和复发性阿弗他溃疡等免疫相关疾病研究中的应用，为开发新型治疗策略提供了可靠模型。
3.4. 颌骨/上颌骨
颌骨类器官研究聚焦于构建血管化的功能性骨组织模型。创新之处在于将成骨细胞与血管内皮细胞共培养，以再现骨组织的天然微环境。研究人员已成功诱导间充质干细胞分化为成骨细胞，形成具有矿化能力的骨样组织，同时促进内皮细胞形成管状结构。近期研究通过施加机械刺激和长期调控生长因子，显著提高了类器官的成熟度和力学性能。这些血管化骨类器官为骨缺损修复和种植体骨整合提供了新见解。
3.5. 唾液腺类器官
唾液腺类器官研究专注于重建具有分泌功能的基本单位。一项重大突破是成功创建了具有管腔结构的腺体样组织。这些类器官表达唾液腺特异性标志物，并在体外对神经递质刺激产生反应，表现出功能性分泌能力。近期研究优化了培养系统，促进类器官中腺泡细胞和导管细胞等多细胞类型的分化，同时建立完全极化的结构。在动物模型中，移植的唾液腺类器官能与宿主神经血管网络整合并部分恢复唾液分泌，为治疗放射性口干症等唾液腺功能障碍提供了潜在前景。
4. 应用：工程管道中的验证里程碑
4.1. 功能验证：重演发育和形态发生
口腔类器官提供了一个前所未有的可视化平台，用于研究牙齿发育的动态过程。牙齿类器官可实时观察上皮-间充质相互作用，阐明信号中心形成的分子机制，并追踪牙冠和牙根形态发生中单个细胞的迁移、增殖和分化轨迹。活细胞成像结合荧光报告系统和单细胞转录组分析，使研究人员能够绘制关键通路（Wnt、BMP、FGF、Hedgehog、Notch）的时空激活图谱，模拟牙尖模式和牙冠形成的不同阶段。然而，当前类器官主要捕获早期至中期发育阶段，尚未达到终末分化和完全成熟。
4.2. 预测验证：疾病建模和机制阐明
第二个验证层级评估类器官能否准确预测疾病表型、进展和治疗反应。患者来源的口腔癌类器官保留了原发头颈部鳞状细胞癌的基因组特征、突变谱和细胞异质性，使研究人员能够高保真地模拟肿瘤起始、侵袭和转移。牙周类器官通过共培养牙龈上皮细胞、成纤维细胞和口腔细菌种类，模拟牙周袋形成和宿主-微生物失调的早期事件，揭示牙龈卟啉单胞菌等病原体如何破坏上皮屏障功能并触发炎症级联反应。唾液腺类器官则增进了对辐射损伤和干燥综合征的理解：来自受辐射腺体组织的类器官表现出腺泡分化减少和分泌功能障碍，而来自干燥综合征患者的类器官则重现了针对导管和腺泡细胞的自身免疫攻击。
4.3. 治疗验证：组织再生和修复
第三个验证层级评估口腔类器官能否引发治疗性再生。在牙齿再生领域，研究人员正在探索将牙源性类器官与适当支架结合构建功能性“生物牙”，以解决牙冠形成、牙根发育和萌出通道等关键挑战。在唾液腺再生中，将类器官来源单位移植到辐射损伤的腺体中，已在动物模型中部分恢复唾液分泌，类器官能整合到宿主神经血管网络并维持较长时间的分泌功能。然而，功能性吻合、持续神经支配和长期稳定性仍是尚未完全实现的性能差距。
4.4. 转化验证：药物筛选和毒性测试
第四个验证层级关注口腔类器官能否作为药物开发和安全性评价的可靠标准化平台。利用口腔黏膜类器官建立的毒性测试模型可准确评估化疗药物和靶向药物的损伤效应，患者来源类器官能揭示群体平均测定所忽视的个体毒性易感性差异。唾液腺类器官可用于筛选促进唾液分泌的药物，对治疗干燥综合征和放射性口干症尤为有价值。器官芯片集成进一步增强了该验证层级，可在单一装置内实现可控药物浓度梯度、实时分泌反应监测和重复剂量-反应测量。最重要的是，类器官生物样本库支持个性化药物筛选：通过对患者特异性类器官测试多种治疗方案，临床医生可为个体患者确定最有效且毒性最低的选择。
5. 挑战与未来方向：工程路线图
5.1. 增强解剖保真度 – 血管化、神经支配和多组织整合
当前大多数口腔类器官缺乏功能性血管系统和神经网络，从根本上限制了其尺寸、长期存活和生理相关性。关键工程策略包括：将类器官与内皮细胞和周细胞共培养以生成可灌注微血管；引入神经嵴来源细胞或感觉神经元以实现神经支配，尤其对于已实现神经递质反应但尚缺持续功能性神经支配的唾液腺类器官；开发多器官组装技术，将牙齿、牙周和骨类器官组合成解剖学上连续的单位，模拟天然牙齿-骨界面。器官芯片平台提供动态灌注和力学线索，已显示出延长类器官存活时间和促进血管网络形成的潜力，但移植后实现与宿主血管的功能性吻合仍是决定性障碍。
5.2. 优化微环境 – 先进生物材料作为工程生态位
两种互补的材料平台正在工程化：来源于口腔组织（牙髓、牙龈、唾液腺）的组织特异性脱细胞基质（dECM）水凝胶保留了天然生物活性线索，已被证明比常规基质更好地支持类器官生长，但仍存在供体间差异，需要标准化分离和表征方案。合成水凝胶具有明确组成和可调性能，可通过精确调控刚度、降解动力学和配体密度提供完全定义且化学可调的替代方案；近期进展包括可光交联和剪切变稀的配方，适用于注射或打印。关键的里程碑是将这些先进材料与高通量制造方法相结合，以生产具有均匀大小和几何形状的类器官，这是可重复药物筛选、规模扩大生产及最终获得监管批准的先决条件。
5.3. 智能制造 – 基因编辑、多组学和3D生物打印
通过先进生物技术工具的融合，研究方向从被动培养转向主动的数据驱动控制。CRISPR/Cas9基因编辑能精确引入疾病相关突变到iPSCs中，生成具有明确遗传背景的同基因类器官模型，用于机制研究和药物验证；同时允许敲入荧光报告基因实现实时谱系追踪，或过表达促血管生成因子以增强血管化。单细胞多组学（转录组学、表观基因组学、蛋白质组学）提供了全面表征工具包，可评估类器官成熟度，识别关键发育检查点，并实现表型结果与工艺参数之间的迭代数据驱动反馈——这是智能制造的标志。3D生物打印提供无与伦比的空间精度，可排列多种细胞类型和生物材料形成解剖学精确的分层结构；近期研究已成功打印牙周支架和颌骨样结构，将类器官球体作为“生物墨水”整合是新兴前沿。决定性里程碑是建立自动化闭环制造系统，通过实时成像和组学数据动态调整培养参数，确保跨不同批次的一致性高质量类器官生产。
5.4. 临床转化基础设施 – 标准化、生物样本库和监管路径
最终工程目标需要构建全面的转化基础设施，以应对临床部署中的监管、后勤和伦理挑战。这始于标准化患者来源口腔类器官生物样本库，覆盖不同遗传背景和疾病阶段，并配备完善的临床注释和基因组数据。同时，需要优化扩增、冷冻保存和运输方案，包括无血清、无异源成分培养基和冷冻保护剂混合物，确保类器官在需要时随时可用且不损害分化潜能。最后，必须制定严格的质量控制检测和放行标准，涵盖形态学评分、标志物表达谱、功能反应（分泌能力、屏障完整性、力学性能）和基因组稳定性，并针对FDA和EMA细胞产品的监管标准进行前瞻性验证。里程碑是启动首次人体临床试验，如自体口腔类器官用于组织再生——例如放射性口干症的唾液腺移植或活髓治疗的牙髓类器官植入。动物模型的早期可行性研究已显示出有希望的结果，但系统性的临床评价仍是决定整个工程管道转化成功的关键。
6. 结论
口腔类器官技术正以前所未有的速度发展，但其实验室向临床应用的转化因经验性、配方型培养方法导致的变异性和不可重复性而受阻。本综述提出了一个系统工程框架，将口腔类器官生成重新定义为从设计到制造的过程，包含四个相互关联的模块：设计输入（成体和iPSC来源干细胞作为具有明确扩增和分化性能的原材料）、过程控制（Wnt、BMP、FGF、Hedgehog、Notch等关键信号通路作为可调动态参数而非固定配方）、制造平台（基质胶包埋、气液界面和微流控芯片，具有不同的可扩展性、可重复性和自动化特征）以及质量保证（形态学、功能和基因组标准化的新兴标准）。通过这一工程视角，研究人员重新评估了当前口腔类器官类型——釉质/牙本质/牙髓、牙周、黏膜、颌骨和唾液腺——及其在发育、疾病建模、再生和药物筛选中的应用，将它们视为连贯开发流程中的验证里程碑。目前该领域的主要工程瓶颈包括血管化、神经支配、功能成熟和批次间可重复性。为克服这些障碍，本文规划了一条技术就绪水平路线图，引导未来工作从优化生物材料生态位、整合智能制造工具（如CRISPR、单细胞多组学和3D生物打印），到建立临床转化基础设施（包括标准化生物样本库、冷冻保存方案和监管级质量控制检测）。可以预见，通过将每个挑战视为可设计参数，将每个里程碑视为可制造且质量可控的输出，口腔类器官将从多功能研究工具演变为精准牙科和颅面再生的可靠认证产品。生物材料、微流体、基因编辑和自动化的融合，在拟议工程框架的协调下，终将加速从实验室发现到首次人体临床试验的转变，开启个性化、微创和再生口腔医学的新时代。
