苏佳灿教授团队再发骨类器官相关文章！

摘要：机械力对于骨骼发育、骨稳态和骨折愈合至关重要。在过去的几十年里，已经开发了各种生物材料来提供模拟自然骨骼微环境的机械信号，从而促进骨骼再生。骨类器官是一种新兴的研究方法，是具有自我更新和自我组织能力的3D微骨组织，表现出仿生空间特征。近期，上海交通大学医学院附

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机械力对于骨骼发育、骨稳态和骨折愈合至关重要。在过去的几十年里，已经开发了各种生物材料来提供模拟自然骨骼微环境的机械信号，从而促进骨骼再生。骨类器官是一种新兴的研究方法，是具有自我更新和自我组织能力的3D微骨组织，表现出仿生空间特征。近期，上海交通大学医学院附属新华医院/上海大学转化医学研究院苏佳灿教授团队联合国内外众多专家学者在生物医学1区Top杂志《Theranostics》(最新IF: 12.4)发布全球首篇骨类器官开发和应用专家共识[1]。该共识的发布标志着骨类器官在再生医学、疾病模型构建及个性化治疗中的技术发展取得重要突破，为从事骨类器官研究的学者提供系统化指导和标准化框架。

在骨类器官的构建中结合机械响应生物材料为模拟机械骨微环境提供了一条有前途的途径。苏佳灿教授/陈晓团队联合中国人民解放军联勤保障部队第九二〇医院骨科谭洪波主任医师、西安交通大学医学院附属红会医院周凤金主任医师提供了用于骨类器官构建的机械响应生物材料的全面概述（图1）。相关研究成果以“Mechano-Responsive Biomaterials for Bone Organoid Construction”为题于2024年12月30日发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

图1 用于骨类器官构建的机械响应生物材料综述

骨重塑是人体骨骼形成和保存骨量的重要生理活动。骨组织不断被破骨细胞吸收，并由成骨细胞重新填充新的骨基质以维持骨骼结构。尽管包括年龄、营养和遗传倾向在内的各种因素可以影响骨细胞的活动，但机械力仍然是强化骨结构的最基本因素。本文介绍了机械力对细胞信号的转化，以及机械力在骨稳态和骨折愈合中的作用。

由于机械力在细胞机械转导、骨稳态和骨折愈合中的重要作用，因此开发机械响应生物材料具有重要意义。本文详细介绍了各种机械反应性生物材料的特点，强调了它们在骨组织工程中的应用（图2）。

图2 骨组织工程中机械响应生物材料综述

基于压缩力的刺激几乎涉及所有的生理过程，人体的大多数组织和器官以力、压力和变形的形式不断地经历。一些研究利用运动关节的动态机械微环境来激活生物活性支架，这些支架是机械反应性药物输送系统的组成部分。这些系统旨在动态实现骨再生分子和细胞的时空控制释放或靶向递送（表1，图3）。

表1 压缩力响应生物材料汇总

图3 压缩力响应生物材料在骨再生中的应用

压电生物材料被认为是一种机械响应生物材料，它是一类与生物组织相结合的材料，能够将机械力和电力相互转化。由于骨成分的压电性质，生理性产生的电信号可以启动细胞间的机械转导，从而导致一系列细胞事件，包括基质合成、细胞增殖和骨组织修复。因此，模拟天然组织压电特性的压电生物材料可以作为类似ECM的电活性支架，促进成骨分化（图4）。目前用于骨再生的压电生物材料包括压电陶瓷和压电聚合物（表2）。

图4 压电生物材料在骨再生中的应用

表2 于骨组织工程的压电生物材料汇总

考虑到磁场对地球生命的影响，大量研究人员致力于研究磁场对人体的生物影响，尤其关注骨组织的修复（图5）。在骨组织工程领域，磁致机械力可以通过外加磁场、磁性纳米颗粒（MNPs）和磁性支架分别或共同实现（表3）。

图5 磁响应生物材料在骨再生中的应用

表3 骨组织工程用磁响应生物材料汇总

多年来，为了模拟全功能骨和软骨的自然生理状态，已经制作了一系列体外和体内骨形成模型，范围从简单到复杂。这些3D模型的出现为未来骨类器官的构建提供了见解。然而，成功构建模拟天然骨微环境的骨类器官仍处于探索阶段。本文讨论了可能用于模拟自然机械骨微环境的细胞（包括人类诱导多能干细胞（iPSCs）、间充质干细胞（MSCs）和人类骨膜来源细胞（hPDCs））和机械响应生物材料（图6）。

图6 骨类器官的构建策略

基于细胞和机械响应生物材料，模拟人体肌肉骨骼系统内自然骨微环境的骨类器官的构建有望实现。与骨组织的分层结构相一致，这些具有不同功能的骨类器官能够显示骨生理和病理的各个阶段（图7）。

图7 骨类器官的构建

虽然大多数生物材料主要用于骨再生，但其在骨类器官中的应用前景广阔。本文探讨了机械响应生物材料在类骨器官中的应用前景，如骨质疏松症、骨关节炎、骨缺损和骨肿瘤。

目前，骨类器官被认为是最有前途的骨再生方法之一，已逐渐成为骨研究的热点。与骨组织工程相比，骨类器官具有优越的生物相容性，可以更有效地介导细胞与支架之间的相互作用，从而实现生物材料的全谱功能。然而，除了血管化、标准化和类器官评估等挑战外，在构建机械反应性骨类器官生物材料方面仍存在一些挑战，如对机械刺激的控制、全周期和大尺度骨类器官的构建、多功能骨类器官的构建、多类器官共培养（图8）。总之，尽管具有巨大的潜力，但在专注于培养类骨器官的机械反应生物材料的研究方面存在明显的不足，表明需要进行更多的研究。这一领域的进一步发展可以通过确定生物材料和外部刺激的最有效组合来实现，这将使骨器官培养的精确管理平台的创建和应用成为可能。