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骨类器官作为生物医学研究中的开创性工具，弥合了理论知识与实际应用之间的差距，帮助我们理解骨生物学和相关疾病。这些微小的、能自我组织的结构模拟了骨组织的复杂性，为科学发现和医学创新提供了一个动态平台。
快速发展的骨类器官技术为骨相关疾病研究和临床应用提供了新的模型。随着技术的不断优化和多学科的融合，其应用前景将进一步拓展。
类器官及其发展历程
类器官(organoids)是一种在三维培养体系中形成的微小、类器官结构的细胞团，能够模仿体内器官的结构和功能。它们具有以下显著特性：①多细胞类型：类器官由多种不同类型的细胞组成，这些细胞相互作用，形成复杂的三维结构。这种多细胞组成使类器官能够更准确地模拟体内器官的微环境和生理功能。②自我组织：在特定的培养条件下，类器官能够自我组织和分化，形成类似于体内器官的结构。这种自我组织能力使类器官成为研究细胞行为和组织发育的重要模型。③功能性：类器官具备体内器官的某些功能，如代谢、分泌和响应外部刺激的能力。类器官技术在生物医学领域展现出广泛的应用潜力，已成为基础研究、疾病模型、药物筛选和再生医学等领域的重要工具。
科学家已经成功培养出多种不同类型的类器官，包括肠道类器官、脑类器官、肝脏类器官、肾脏类器官等[1]。这些类器官在结构和功能上高度模拟体内器官，为生物医学研究提供了更加逼真的模型。类器官技术被广泛应用于建立疾病模型和进行药物筛选。这种技术通过利用患者来源的细胞，培养出个性化的类器官模型，能够高度模拟特定疾病的病理过程。通过从患者体内提取的细胞，科学家们能够培养出与患者病情高度一致的类器官。这些类器官保留了患者的遗传信息和病理特征，可以用来深入研究疾病的发生和发展[2]。
个性化的类器官模型在抗癌药物筛选中具有重要应用价值。科学家可以利用这些模型测试各种抗癌药物的效果，从而选择最有效的个性化治疗方案。通过在患者来源的肠道类器官中测试不同的化疗药物，研究人员可以确定哪种药物对特定患者的癌细胞杀伤力最强。这种个性化的药物筛选方法大大提高了治疗的精准度和有效性，减少了副作用[3]。类器官技术在再生医学中也具有重要应用前景。科学家希望通过类器官技术修复受损的器官组织，甚至在未来实现器官移植。类器官作为组织工程中的“种子细胞”，有望用于构建功能性组织或器官，通过体外培养和工程技术，生成可用于移植的生物组织或器官。例如，通过将类器官与生物支架材料结合，科学家可以构建具有生物活性的三维组织结构，用于修复或替代受损组织[4]。
类器官培养物的发展时间表[6]
类器官技术的发展经历了一个漫长而曲折的过程，其概念和方法可以追溯到20世纪初期。
类器官生成方法[5] Wnt3a：无翅型MMTV整合位点家族成员3A；Fgf4：成纤维细胞生长因子4；BMP4：骨形态发生蛋白4；Fgf9：成纤维细胞生长因子9；KSR：敲除血清替代物。
早期探索(20世纪初)
在20世纪初期，科学家们开始尝试在实验室中培养组织和器官。这些早期的实验包括体外培养胚胎器官的组织块。这些尝试为后来的细胞培养技术奠定了基础，虽然当时的技术手段和理论知识还十分有限，但这些探索为后来的研究积累了宝贵的经验。
二维培养(1950年代)
到了1950年代，细胞培养技术取得了重要进展。尤其是二维细胞培养技术的发展，使科学家能够在培养皿中培养单层细胞。这一进步不仅大大提高了实验的可控性和重复性，还为进一步的三维培养奠定了基础。二维培养技术的广泛应用使得细胞生物学研究得到了飞速发展，为类器官技术的突破创造了条件。
三维培养(1990年代)
1990年代，科学家们开始探索三维细胞培养技术，以期更好地模拟体内的细胞环境。美国生物学家比斯尔(M. Bissell)及其同事利用三维基质培养乳腺上皮细胞，成功模拟了乳腺腺泡的形成[7]。这一突破性研究证明了三维培养技术在模拟复杂组织结构方面的潜力，为类器官技术的发展指明了方向。
类器官技术的突破(21世纪初)
真正的技术突破发生在2009年，当时荷兰乌得勒支大学克利夫斯(H. Clevers)教授团队首次成功利用成体干细胞在体外培养出了肠道类器官[8]。这一进展标志着类器官技术的正式诞生，使其成为疾病研究、药物筛选和再生医学的重要工具。该团队的研究证明了类器官不仅可以在实验室中培养，还可以保持其体内的复杂结构和功能。这一发现激发了全球科学家对类器官研究的浓厚兴趣和热情。
骨类器官的探索
骨类器官(bone organoids)是指通过生物活性材料和定向分化的干细胞(如骨干细胞、胚胎干细胞等)或祖细胞(如成骨细胞和/或破骨细胞等)在体外构建的三维自我更新和自我组织的微型骨组织。这些骨类器官具有生物模拟的空间特征，能够在三维培养系统中重现体内骨组织的复杂生物功能。与传统的二维细胞培养系统和动物实验相比，骨类器官能够更好地模拟骨的自然生理微环境，提供一种更为生理相关的体外研究模型[9]。骨类器官是类器官技术的一个新兴领域，致力于在体外模拟骨组织的形成和功能。与其他类型的类器官不同，骨类器官具有其特殊性和挑战性。这些特殊性和挑战性不仅源于骨组织的复杂结构和多样化功能，还涉及其独特的发育过程和力学环境。
骨类器官的应用前景[9]
骨类器官构建的特殊性
骨类器官在培养过程中具有特殊性。首先，骨组织在体内承受机械应力，这些应力对骨的形成和重塑至关重要。因此，培养骨类器官时，需要模拟类似的力学环境，通常通过应用机械应力或利用生物反应器来实现，这与其他类器官主要依靠化学和生物信号的不同。其次，骨组织的矿化过程是其重要特征，成骨细胞分泌的基质逐渐钙化形成坚硬的骨质，因此培养骨类器官需要在培养基中加入适当的矿化诱导剂，促使成骨细胞进行矿化，而大多数其他类器官不涉及这种硬组织的形成。再次，骨类器官的形成不仅依赖于成骨细胞，还需要破骨细胞和其他间充质细胞的参与，科学家必须设计共培养体系，使不同细胞类型相互作用，共同完成骨组织的形成和维持，这种多细胞共培养体系的复杂性使得研究具有特殊挑战。最后，骨组织具有丰富的血管网络，模拟这种血管化对于培养功能性骨类器官至关重要，研究者通常会引入血管内皮细胞或利用组织工程技术，促进类器官中的血管形成，以提高类器官的生理真实性和功能性，这与大多数其他类器官不同，后者通常不需要模拟复杂的血管网络。
骨类器官构建的挑战性
骨类器官的培养面临诸多挑战，这些挑战主要源于其复杂的组织结构和特殊的生理需求。首先，骨组织不仅包括矿化基质，还包括骨髓腔和各种细胞类型，成功培养出这种复杂结构需要对培养条件进行精细的控制和优化，远比培养单一细胞类型或简单结构的类器官复杂得多。其次，骨组织在体内不断受到动态力学应力的影响，如压缩、拉伸和剪切力等，这些力学应力不仅影响骨细胞的功能，还对骨基质的形成和重塑起到关键作用。因此，在体外培养骨类器官时，需要设计能够模拟这些动态力学环境的装置，以确保培养出的类器官具备真实的生理功能。再次，培养骨类器官需要特定的生长因子和营养物质，以促进成骨细胞的分化和矿化，这要求对培养基成分进行精确的调控，以模拟体内微环境，这与其他类器官的培养有所不同，后者通常不需要如此精确和多样化的生长因子调控。最后，骨组织的形成和成熟需要较长的时间，在体外培养骨类器官时也需要长时间的培养周期，这增加了培养过程中的不确定性和挑战性，例如如何防止培养过程中细胞的衰老和死亡，如何保持培养环境的稳定等。
骨类器官1.0版
笔者团队利用“一锅法”合成用于骨组织工程的新型生物墨水[10]，通过3D生物打印骨支架，构建能够体内外长时间培养、多细胞分化、自矿化的大尺寸骨类器官1.0版本[11]，并应用于大段骨缺损的骨再生研究。团队人员通过设计全新的适用骨组织工程的生物墨水，利用数字光处理生物打印技术，精确复制骨组织复杂微观结构，然后在体内外长时间的定向培育，使之分化成含有多种骨髓细胞(血细胞、免疫细胞、血管内皮细胞、软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞和破骨细胞)，力学性能良好(杨氏模量兆帕级，接近于松质骨)，空间拓扑结构类骨(疏松多孔的微纳结构)和大尺寸(厘米级)的功能性骨类器官。将其应用于骨缺损模型的再生修复，显示出强大的修复能力。骨类器官1.0版可用于建立骨病模型，筛选骨代谢药物，并对骨植入材料进行生物学评估。试想一下，在未来，对于因各种原因导致骨缺损或坏死的患者，也许可以提取他们的干细胞来构建骨类器官，然后植入身体的特定部位，如腹部。可以预见，这些构建体将生长和成熟为真正的骨组织，然后可用于受缺陷或坏死影响的区域的骨移植。
结语与展望
骨类器官技术作为类器官研究中的重要分支，尽管面临复杂组织结构、动态力学环境模拟、生长因子和营养物质精确调控以及长时间培养等诸多挑战，但在再生医学、骨疾病研究和药物筛选等领域展现出巨大的潜力。通过不断的技术创新和优化，科学家们已取得显著进展，成功培养出具备生理功能的骨类器官模型。未来，骨类器官技术将与基因编辑、3D生物打印和智能材料等先进技术相结合，开发标准化和规模化的培养方法，优化力学环境模拟技术，并加强基础研究与临床应用的结合，推动其在骨再生和修复、骨疾病治疗等方面的临床转化。骨类器官技术的发展前景广阔，随着技术的不断进步，有望在未来为骨组织相关疾病的诊断、治疗和再生医学带来革命性的变化，造福更多患者，推动生物医学领域的发展，成为解决骨组织相关医学难题的重要工具。
王健：博士研究生，上海大学转化医学研究院，上海 200444。
苏佳灿：教授，上海大学转化医学研究院;主任医师，上海交通大学医学院附属新华医院，上海200092。
Wang Jian: Doctoral Candidate, Institute of Translational Medicine, Shanghai University, Shanghai 200444.
Su Jiacan: Professor, Institute of Translational Medicine, Shanghai University, Shanghai 200444; Chief Physician, Xin Hua Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200092.
References：
[1]Xu H, Jiao Y, Qin S, et al. Organoid technology in disease modelling, drug development, personalized treatment and regeneration medicine. Experimental Hematology & Oncology, 2018, 7: 30.
[2]Chitrangi S, Vaity P, Jamdar A, et al. Patient-derived organoids for precision oncology: A platform to facilitate clinical decision making. BMC Cancer, 2023, 23: 689.
[3]Yu Y Y, Zhu Y J, Xiao Z Z, et al. The pivotal application of patient-derived organoid biobanks for personalized treatment of gastrointestinal cancers. Biomarker Research, 2022, 10: 73.
[4]Liu N, Zhang X, Guo Q, et al. 3D bioprinted scaffolds for tissue repair and regeneration. Frontiers in Materials, 2022, 9.
[5]Lancaster M A, Knoblich J A. Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science, 2014, 345: 1247125.
[6]Corrò C, Novellasdemunt L, Li V S W. A brief history of organoids. American Journal of Physiology Cell physiology, 2020, 319: C151-C165.
[7]Bissell M J, Rizki A, Mian S. Tissue architecture: The ultimate regulator of breast epithelial function. Current Opinion in Cell Biology, 2003, 15: 753.
[8]Sato T, Vries R G, Snippert H J, et al. Single lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 2009, 459: 262-265.
[9]Chen S, Chen X, Geng Z, et al. The horizon of bone organoid: A perspective on construction and application. Bioactive materials, 2022, 18: 15-25.
[10]Ren X, Wang J, Wu Y, et al. One-pot synthesis of hydroxyapatite hybrid bioinks for digital light processing 3D printing in bone regeneration. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 188: 84-97.
[11]Wang J, Wu Y, Li G, et al. Engineering large-scale self-mineralizing bone organoids with bone matrix-inspired hydroxyapatite hybrid bioinks. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla), 2024, e2309875.
本文刊载于2024年第76卷第4期《科学》杂志（P23-P26）
关键词：骨类器官 骨组织工程 3D生物打印 再生医学
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