探索骨類器官：微型骨骼工程

快速發(fā)展的骨類器官技術(shù)為骨相關(guān)疾病研究和臨床應(yīng)用提供了新的模型。隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化和多學(xué)科的融合，其應(yīng)用前景將進(jìn)一步拓展。

類器官及其發(fā)展歷程

類器官（organoids）是一種在三維培養(yǎng)體系中形成的微小、類器官結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團(tuán)，能夠模仿體內(nèi)器官的結(jié)構(gòu)和功能。它們具有以下顯著特性：①多細(xì)胞類型：類器官由多種不同類型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞相互作用，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這種多細(xì)胞組成使類器官能夠更準(zhǔn)確地模擬體內(nèi)器官的微環(huán)境和生理功能。②自我組織：在特定的培養(yǎng)條件下，類器官能夠自我組織和分化，形成類似于體內(nèi)器官的結(jié)構(gòu)。這種自我組織能力使類器官成為研究細(xì)胞行為和組織發(fā)育的重要模型。③功能性：類器官具備體內(nèi)器官的某些功能，如代謝、分泌和響應(yīng)外部刺激的能力。類器官技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，已成為基礎(chǔ)研究、疾病模型、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要工具。

科學(xué)家已經(jīng)成功培養(yǎng)出多種不同類型的類器官，包括腸道類器官、腦類器官、肝臟類器官、腎臟類器官等[1]。這些類器官在結(jié)構(gòu)和功能上高度模擬體內(nèi)器官，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更加逼真的模型。類器官技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建立疾病模型和進(jìn)行藥物篩選。這種技術(shù)通過利用患者來源的細(xì)胞，培養(yǎng)出個性化的類器官模型，能夠高度模擬特定疾病的病理過程。通過從患者體內(nèi)提取的細(xì)胞，科學(xué)家們能夠培養(yǎng)出與患者病情高度一致的類器官。這些類器官保留了患者的遺傳信息和病理特征，可以用來深入研究疾病的發(fā)生和發(fā)展[2]。

個性化的類器官模型在抗癌藥物篩選中具有重要應(yīng)用價值。科學(xué)家可以利用這些模型測試各種抗癌藥物的效果，從而選擇最有效的個性化治療方案。通過在患者來源的腸道類器官中測試不同的化療藥物，研究人員可以確定哪種藥物對特定患者的癌細(xì)胞殺傷力最強(qiáng)。這種個性化的藥物篩選方法大大提高了治療的精準(zhǔn)度和有效性，減少了副作用[3]。類器官技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)中也具有重要應(yīng)用前景?？茖W(xué)家希望通過類器官技術(shù)修復(fù)受損的器官組織，甚至在未來實現(xiàn)器官移植。類器官作為組織工程中的“種子細(xì)胞”，有望用于構(gòu)建功能性組織或器官，通過體外培養(yǎng)和工程技術(shù)，生成可用于移植的生物組織或器官。例如，通過將類器官與生物支架材料結(jié)合，科學(xué)家可以構(gòu)建具有生物活性的三維組織結(jié)構(gòu)，用于修復(fù)或替代受損組織[4]。

類器官技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長而曲折的過程，其概念和方法可以追溯到20世紀(jì)初期。

早期探索（20世紀(jì)初）

在20世紀(jì)初期，科學(xué)家們開始嘗試在實驗室中培養(yǎng)組織和器官。這些早期的實驗包括體外培養(yǎng)胚胎器官的組織塊。這些嘗試為后來的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，雖然當(dāng)時的技術(shù)手段和理論知識還十分有限，但這些探索為后來的研究積累了寶貴的經(jīng)驗。

二維培養(yǎng)（1950年代）

到了1950年代，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)取得了重要進(jìn)展。尤其是二維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，使科學(xué)家能夠在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)單層細(xì)胞。這一進(jìn)步不僅大大提高了實驗的可控性和重復(fù)性，還為進(jìn)一步的三維培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。二維培養(yǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得細(xì)胞生物學(xué)研究得到了飛速發(fā)展，為類器官技術(shù)的突破創(chuàng)造了條件。

三維培養(yǎng)（1990年代）

1990年代，科學(xué)家們開始探索三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，以期更好地模擬體內(nèi)的細(xì)胞環(huán)境。美國生物學(xué)家比斯?fàn)枺∕. Bissell）及其同事利用三維基質(zhì)培養(yǎng)乳腺上皮細(xì)胞，成功模擬了乳腺腺泡的形成[7]。這一突破性研究證明了三維培養(yǎng)技術(shù)在模擬復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)方面的潛力，為類器官技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

類器官技術(shù)的突破（21世紀(jì)初）

真正的技術(shù)突破發(fā)生在2009年，當(dāng)時荷蘭烏得勒支大學(xué)克利夫斯（H. Clevers）教授團(tuán)隊首次成功利用成體干細(xì)胞在體外培養(yǎng)出了腸道類器官[8]。這一進(jìn)展標(biāo)志著類器官技術(shù)的正式誕生，使其成為疾病研究、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)的重要工具。該團(tuán)隊的研究證明了類器官不僅可以在實驗室中培養(yǎng)，還可以保持其體內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了全球科學(xué)家對類器官研究的濃厚興趣和熱情。

骨類器官的探索

骨類器官（bone organoids）是指通過生物活性材料和定向分化的干細(xì)胞（如骨干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞等）或祖細(xì)胞（如成骨細(xì)胞和/或破骨細(xì)胞等）在體外構(gòu)建的三維自我更新和自我組織的微型骨組織。這些骨類器官具有生物模擬的空間特征，能夠在三維培養(yǎng)系統(tǒng)中重現(xiàn)體內(nèi)骨組織的復(fù)雜生物功能。與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)和動物實驗相比，骨類器官能夠更好地模擬骨的自然生理微環(huán)境，提供一種更為生理相關(guān)的體外研究模型[9]。骨類器官是類器官技術(shù)的一個新興領(lǐng)域，致力于在體外模擬骨組織的形成和功能。與其他類型的類器官不同，骨類器官具有其特殊性和挑戰(zhàn)性。這些特殊性和挑戰(zhàn)性不僅源于骨組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多樣化功能，還涉及其獨(dú)特的發(fā)育過程和力學(xué)環(huán)境。

骨類器官構(gòu)建的特殊性

骨類器官在培養(yǎng)過程中具有特殊性。首先，骨組織在體內(nèi)承受機(jī)械應(yīng)力，這些應(yīng)力對骨的形成和重塑至關(guān)重要。因此，培養(yǎng)骨類器官時，需要模擬類似的力學(xué)環(huán)境，通常通過應(yīng)用機(jī)械應(yīng)力或利用生物反應(yīng)器來實現(xiàn)，這與其他類器官主要依靠化學(xué)和生物信號的不同。其次，骨組織的礦化過程是其重要特征，成骨細(xì)胞分泌的基質(zhì)逐漸鈣化形成堅硬的骨質(zhì)，因此培養(yǎng)骨類器官需要在培養(yǎng)基中加入適當(dāng)?shù)牡V化誘導(dǎo)劑，促使成骨細(xì)胞進(jìn)行礦化，而大多數(shù)其他類器官不涉及這種硬組織的形成。再次，骨類器官的形成不僅依賴于成骨細(xì)胞，還需要破骨細(xì)胞和其他間充質(zhì)細(xì)胞的參與，科學(xué)家必須設(shè)計共培養(yǎng)體系，使不同細(xì)胞類型相互作用，共同完成骨組織的形成和維持，這種多細(xì)胞共培養(yǎng)體系的復(fù)雜性使得研究具有特殊挑戰(zhàn)。最后，骨組織具有豐富的血管網(wǎng)絡(luò)，模擬這種血管化對于培養(yǎng)功能性骨類器官至關(guān)重要，研究者通常會引入血管內(nèi)皮細(xì)胞或利用組織工程技術(shù)，促進(jìn)類器官中的血管形成，以提高類器官的生理真實性和功能性，這與大多數(shù)其他類器官不同，后者通常不需要模擬復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)。

骨類器官構(gòu)建的挑戰(zhàn)性

骨類器官的培養(yǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要源于其復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和特殊的生理需求。首先，骨組織不僅包括礦化基質(zhì)，還包括骨髓腔和各種細(xì)胞類型，成功培養(yǎng)出這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要對培養(yǎng)條件進(jìn)行精細(xì)的控制和優(yōu)化，遠(yuǎn)比培養(yǎng)單一細(xì)胞類型或簡單結(jié)構(gòu)的類器官復(fù)雜得多。其次，骨組織在體內(nèi)不斷受到動態(tài)力學(xué)應(yīng)力的影響，如壓縮、拉伸和剪切力等，這些力學(xué)應(yīng)力不僅影響骨細(xì)胞的功能，還對骨基質(zhì)的形成和重塑起到關(guān)鍵作用。因此，在體外培養(yǎng)骨類器官時，需要設(shè)計能夠模擬這些動態(tài)力學(xué)環(huán)境的裝置，以確保培養(yǎng)出的類器官具備真實的生理功能。再次，培養(yǎng)骨類器官需要特定的生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)，以促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和礦化，這要求對培養(yǎng)基成分進(jìn)行精確的調(diào)控，以模擬體內(nèi)微環(huán)境，這與其他類器官的培養(yǎng)有所不同，后者通常不需要如此精確和多樣化的生長因子調(diào)控。最后，骨組織的形成和成熟需要較長的時間，在體外培養(yǎng)骨類器官時也需要長時間的培養(yǎng)周期，這增加了培養(yǎng)過程中的不確定性和挑戰(zhàn)性，例如如何防止培養(yǎng)過程中細(xì)胞的衰老和死亡，如何保持培養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定等。

骨類器官1.0版

筆者團(tuán)隊利用“一鍋法”合成用于骨組織工程的新型生物墨水[10]，通過3D生物打印骨支架，構(gòu)建能夠體內(nèi)外長時間培養(yǎng)、多細(xì)胞分化、自礦化的大尺寸骨類器官1.0版本[11]，并應(yīng)用于大段骨缺損的骨再生研究。團(tuán)隊人員通過設(shè)計全新的適用骨組織工程的生物墨水，利用數(shù)字光處理生物打印技術(shù)，精確復(fù)制骨組織復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，然后在體內(nèi)外長時間的定向培育，使之分化成含有多種骨髓細(xì)胞（血細(xì)胞、免疫細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和破骨細(xì)胞），力學(xué)性能良好（楊氏模量兆帕級，接近于松質(zhì)骨），空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類骨（疏松多孔的微納結(jié)構(gòu)）和大尺寸（厘米級）的功能性骨類器官。將其應(yīng)用于骨缺損模型的再生修復(fù)，顯示出強(qiáng)大的修復(fù)能力。骨類器官1.0版可用于建立骨病模型，篩選骨代謝藥物，并對骨植入材料進(jìn)行生物學(xué)評估。試想一下，在未來，對于因各種原因?qū)е鹿侨睋p或壞死的患者，也許可以提取他們的干細(xì)胞來構(gòu)建骨類器官，然后植入身體的特定部位，如腹部?？梢灶A(yù)見，這些構(gòu)建體將生長和成熟為真正的骨組織，然后可用于受缺陷或壞死影響的區(qū)域的骨移植。

結(jié)語與展望

骨類器官技術(shù)作為類器官研究中的重要分支，盡管面臨復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)、動態(tài)力學(xué)環(huán)境模擬、生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)精確調(diào)控以及長時間培養(yǎng)等諸多挑戰(zhàn)，但在再生醫(yī)學(xué)、骨疾病研究和藥物篩選等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，科學(xué)家們已取得顯著進(jìn)展，成功培養(yǎng)出具備生理功能的骨類器官模型。未來，骨類器官技術(shù)將與基因編輯、3D生物打印和智能材料等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；呐囵B(yǎng)方法，優(yōu)化力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)，并加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的結(jié)合，推動其在骨再生和修復(fù)、骨疾病治療等方面的臨床轉(zhuǎn)化。骨類器官技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望在未來為骨組織相關(guān)疾病的診斷、治療和再生醫(yī)學(xué)帶來革命性的變化，造福更多患者，推動生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，成為解決骨組織相關(guān)醫(yī)學(xué)難題的重要工具。

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