本文属于类型b，是一篇发表于《Acta Biomaterialia》的综述文章。文章于2025年5月15日在线发表，作者团队包括来自浙江大学医学院附属第一医院的Yuwei Liu、香港中文大学的Zhilong Zhou与Rocky S. Tuan、中国科学院深圳先进技术研究院的Di Chen等，通讯作者为Di Chen、Rocky S. Tuan和Zhong Alan Li。文章系统回顾了肌肉骨骼（musculoskeletal, MSK）类器官的构建、表征与应用，重点讨论了其在个性化疾病模型和再生疗法开发中的潜力。
文章开篇指出了一个重大而未满足的医疗需求：肌肉骨骼疾病是全球致残的首要原因，累及骨骼、肌肉、关节、肌腱和韧带等多种组织。随着全球人口老龄化加剧，对骨科疾病有效疗法的需求日益迫切。然而，MSK疾病具有高度异质性，其病因、病程、预后和药物反应差异巨大，传统“一刀切”式治疗策略难以满足临床需求。当前MSK疾病治疗面临的主要障碍包括对疾病机制理解不充分，以及缺乏具有足够临床相关性和预测力的疾病模型。因此，建立生理相关性更高的体外模型以研究MSK疾病病理生理机制并测试患者特异性治疗方案，成为该领域的核心目标。
在此背景下，类器官技术作为一种新兴的体外建模手段应运而生。文章指出，与传统二维单层培养或普通三维培养相比，类器官是由干细胞或组织特异性祖细胞通过自组织形成的微型三维多细胞结构，能够重现原生组织的关键结构和功能特征。类器官技术的核心优势在于其能够模拟体内细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的动态三维相互作用，再现传统体外模型难以复现的生化和生物物理信号。尽管过去数十年间类器官研究在肝、肾、脑等器官中取得显著进展，但MSK类器官研究相对滞后，直到近年来才逐渐获得关注。
文章的主体部分详细阐述了构建MSK类器官的关键要素。在细胞来源方面，文章将其分为三大类。第一类是原代MSK谱系细胞，包括成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞、肌细胞、肌腱细胞等，这些细胞可直接用于构建相应组织类器官，但其应用受限于来源有限、分离困难以及体外扩增过程中表型丢失等问题。第二类是多能干细胞（pluripotent stem cells, PSCs），尤其是诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs），因其具有无限自我更新能力和向所有MSK谱系分化的潜能，且在个性化医疗中具有变革性潜力。文章详细介绍了iPSCs向软骨细胞、成骨细胞、肌细胞、脂肪细胞和肌腱细胞等不同谱系分化的诱导策略。第三类是成体干细胞，其中间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）应用最为广泛，可从骨髓、骨膜、脂肪、滑膜、羊水等多种组织分离获得。此外，卫星细胞作为肌肉组织驻留的成体干细胞，是构建骨骼肌类器官的重要细胞来源。文章以表格形式总结了各类成体干细胞的优缺点，例如骨髓来源MSCs增殖快、分化能力强但取材具有侵入性，脂肪来源MSCs增殖率高、免疫调节能力强但细胞群体异质性较大。
在基质材料方面，类器官系统中的基质可由细胞自身分泌或外部添加。最常用的基质是水凝胶，其中Matrigel应用最广泛，其成分虽未完全明确但含有层粘连蛋白、硫酸肝素蛋白聚糖和IV型胶原等多种细胞外基质蛋白及生长因子。天然水凝胶如海藻酸盐、明胶、壳聚糖、胶原和透明质酸等因生物相容性高而广泛使用，而合成水凝胶则具有成分明确、理化性质可调的优势。此外，脱细胞/脱矿骨作为天然刚性基质被用于构建骨类器官以模拟骨重塑。文章还列举了多种复合材料，如氧化石墨烯功能化的海藻酸盐/明胶水凝胶用于构建骨类器官，以及甲基丙烯酰化明胶（GelMA）用于生成骨痂类器官等。
在生化和生物物理信号方面，文章强调了这两类信号在类器官形成过程中对细胞行为的驱动作用。基质本身的刚度、表面官能团、拓扑结构、孔隙率、微观结构和降解性等物理性质对细胞黏附、形态、增殖和分化具有深远影响。例如，不同厚度的脱矿骨纸具有不同刚度，从而影响骨形成和骨吸收；RGD肽修饰可增强细胞黏附；基质表面凹凸图案可控制类器官尺寸；多孔钽支架的孔隙率调控骨样微组织的形成。生物物理信号还可通过生物反应器和器官芯片技术提供，如旋转壁式生物反应器模拟微重力环境以研究太空中的骨质疏松，超声驻波用于排列成肌细胞形成各向异性肌肉类器官，微流控骨芯片通过精确的流体剪切应力促进成骨细胞分化。在生化信号方面，不同谱系分化依赖特定的生长因子和小分子。成骨分化通常使用抗坏血酸、β-甘油磷酸、维生素D3和骨形态发生蛋白（如BMP2、BMP4）；软骨分化则需要BMP和转化生长因子-β（TGF-β），且TGF-β处理时间可调控以防止肥大和软骨内骨化；脂肪分化使用地塞米松、胰岛素、异丁基甲基黄嘌呤和吲哚美辛；肌源性分化则使用肝细胞生长因子和胰岛素样生长因子1。小分子如嘌吗啡胺可诱导间充质祖细胞成骨分化，Kartogenin可促进软骨生成和软骨再生。
文章第四部分全面综述了近年来MSK类器官的研究进展。在骨类器官方面，可分为基于支架和免支架两种构建策略。基于支架的策略使用天然材料（如脱矿骨纸、丝素蛋白、GelMA、海藻酸甲基丙烯酰化）或合成材料（如羟基磷灰石、聚己内酯、聚乙二醇），或二者的复合材料。例如，GelMA/藻酸甲基丙烯酰化/羟基磷灰石复合生物墨水被用于生物打印骨类器官，其自矿化特性促进了多细胞分化和骨修复。免支架骨类器官则多利用干细胞经软骨内骨化途径构建，如从人骨膜来源细胞建立“骨痂类器官”，模拟骨折愈合过程中的软骨-骨转化，并在小鼠临界骨缺损模型中成功实现骨再生。此外，体内构建策略也被报道，通过在小鼠肌肉袋中植入载有BMP2的明胶支架诱导骨类器官形成，收获的类器官含有多种自体治疗性细胞，在肝纤维化和免疫系统重建中显示疗效。
软骨类器官通常采用免支架策略，通过诱导iPSCs或MSCs自组装并成软骨分化。一项在灵长类动物中的研究首次验证了同种异体iPSC来源软骨类器官修复膝关节软骨缺损的可行性，移植后类器官表达PRG4等软骨特异性标志物，与宿主组织整合并防止周围组织退变，提示其作为“现货型”治疗的潜力。另一项研究通过过表达COL11A1的滑膜间充质干细胞类器官，经HIF1α介导的糖酵解激活恢复软骨细胞代谢平衡，在发育性髋关节发育不良小鼠模型中逆转了细胞衰老和炎症。基于支架的软骨类器官也有报道，如利用微流控装置制备RGD-丝素-DNA水凝胶微球，促进骨髓间充质干细胞黏附、增殖和成软骨分化。
骨软骨类器官旨在模拟骨与软骨之间的复杂界面，目前多使用MSCs和iPSCs构建。定制化微冷冻凝胶（含透明质酸促进成软骨、含羟基磷灰石促进成骨）可在无外源生长因子的条件下引导MSCs空间分化形成双相结构。模块化策略也被报道，将iPSC来源的非矿化软骨微组织与人骨膜来源的预肥大类器官组合，构建具有区域特异性功能的层级结构。
肌腱和韧带类器官研究相对有限。一项研究使用正常人真皮成纤维细胞经地塞米松预处理后诱导形成肌腱类器官，发现低浓度地塞米松可获得结构致密的类器官。另一研究比较了牙囊细胞和牙周膜细胞系的韧带分化能力，发现牙囊细胞更适合构建免支架类器官。
脂肪类器官方面，虽然针对髌下脂肪垫的类器官研究较少，但一般脂肪类器官的构建经验可资借鉴。例如，利用磁悬浮培养系统构建含脂肪干细胞、内皮细胞和白细胞的脂肪类器官，维持了细胞异质性和血管样结构形成。另有研究开发了可扩展的预血管化人米色脂肪类器官构建方法，从白色脂肪组织的基质血管组分细胞出发，在GelMA环境中实现厘米级构建体的组装。
滑膜类器官方面，研究者利用类风湿关节炎成纤维样滑膜细胞构建滑膜类器官，评估了芝麻酚通过稳定p53抑制类风湿关节炎进展的作用，表明滑膜类器官可用于药物疗效评价和机制研究。
骨骼肌类器官是该领域进展最为显著的领域之一。一项里程碑研究将人iPSC来源的皮层类器官、脊髓类器官和骨骼肌类器官整合为功能性皮质-脊髓-肌肉组装体，通过光遗传学刺激皮层活动触发肌肉收缩，并维持功能连接超过八周。另一研究从人PSCs生成了含功能性神经肌肉接头的躯干神经肌肉类器官，用于模拟重症肌无力病理。此外，人类神经肌肉骨骼类器官整合了神经、肌肉和骨骼组织，用于研究运动神经元支配和骨骼异常对肌肉发育的影响。
在应用方面，文章从再生医学、疾病建模和药物测试三个维度展开论述。再生医学方面，骨和软骨类器官已被广泛用于骨缺损和软骨缺损修复，骨痂类器官可修复小鼠和兔的大段骨缺损，软骨类器官在皮下植入和鼻整形中实现了结构整合和功能重建。疾病建模方面，骨类器官被用于模拟骨重塑、骨关节炎和骨丢失，骨骼肌类器官被用于模拟肌营养不良和肌萎缩侧索硬化等神经肌肉疾病，神经肌肉类器官则用于研究重症肌无力的自身抗体介导病理。药物测试方面，滑膜类器官已用于评估抗炎药物的疗效，患者特异性iPSC来源的类器官为高通量药物筛选提供了平台，推动了个性化医疗的发展。
文章最后指出，尽管MSK类器官研究取得了显著进展，但该领域仍面临诸多挑战。首先，类器官的血管化和神经支配仍不充分，限制了大尺寸类器官的长期存活和功能成熟。其次，类器官的批量生产和标准化仍是难题，生物打印技术被认为是扩大生产规模的潜在策略。再次，多类器官系统的整合以研究系统性MSK病理生理学是未来重要方向。最后，从实验室到临床的转化需要解决安全性、免疫相容性和监管审批等问题。文章强调，建立具有更高临床相关性和预测力的MSK疾病模型是推动治疗发展的关键，而类器官技术为满足这一需求提供了充满前景的平台，有望加速MSK类器官平台的临床转化，造福数百万MSK疾病患者。
本文的学术价值在于系统梳理了MSK类器官这一新兴领域的发展脉络，从细胞来源、基质材料、信号调控到各类组织的类器官构建策略进行了全面的归纳和比较，并深入探讨了其在再生医学、疾病建模和药物开发中的应用潜力与面临的挑战。文章不仅为MSK组织工程和再生医学领域的研究者提供了重要的参考框架，也为推动个性化医疗在骨科疾病中的应用指明了方向。