骨类器官标准化与共识：研究进展、构建策略与临床转化 | Theranostics 2025

Standardization and consensus in the development and application of bone organoids | Theranostics 2025

Wang J, Chen X, Li R, et al. Standardization and consensus in the development and application of bone organoids. Theranostics 2025; 15(2): 682-706. doi: 10.7150/thno.105840. PMID: 39744680
上海交通大学医学院附属新华医院骨科牵头的 14 单位综述合作,系统梳理骨类器官 1907-2024 年研究里程碑、定义/分类/构建策略/多维鉴定/临床转化,是骨类器官领域首篇系统化标准化共识综述。
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📣 摘要

骨类器官（bone organoids）是利用干细胞或前体细胞在体外三维（3D）培养条件下形成的微型骨组织结构,能够模拟体内骨组织的复杂结构和生理功能,为骨疾病研究和药物开发提供了突破性的新范式。本文系统综述了骨类器官从 1907 年组织培养起步到 2019 年血管化类器官模型建立的关键里程碑,涵盖骨类器官的**定义、细胞来源、关键特征、发育阶段分类、构建策略、应用领域（骨再生修复、药物筛选、发育研究、疾病模型、骨肿瘤）、多维鉴定方法（形态学/生物学功能/分子生物学）**等核心议题。核心技术特征包括:(1) iPSC/ESC/MSC/体细胞四大细胞来源;(2) 支架辅助、细胞自组装、生物反应器（scaffold/cellular self-assembly/bioreactor）三大构建策略;(3) 形态学 + 生物学功能 + 分子生物学三维鉴定体系;(4) 标准化共识涵盖培养条件、表征指标、质控节点、伦理规范。期刊:Theranostics 2025; IF=12.4 一区。

🔬 研究背景

骨疾病负担与治疗瓶颈:全球每年因骨质疏松导致骨折发生率居高不下,欧盟 2019 年骨质疏松性骨折约 428 万例,这一数字随人口老龄化持续上升。骨缺损修复周期长、效果差,传统自体骨/异体骨移植受限于供体稀缺、免疫排斥、修复能力不足。骨肿瘤（如骨肉瘤）和遗传性骨病（如成骨不全症）治疗手段有限。与此同时,骨药物筛选受困于现有二维（2D）细胞培养和动物模型无法完全复制人体骨组织生理环境,亟需更先进的研究工具和治疗策略。类器官技术正是在这一背景下成为骨疾病研究和治疗开发的创新突破点。

类器官技术演进:类器官是由干细胞或前体细胞在特定 3D 培养条件下形成的微型组织结构,能体外模拟特定器官的复杂结构和生理功能。Hans Clevers 实验室 2009 年 Lgr5+ 肠干细胞 3D 培养体系的建立是类器官研究奠基性突破,2013 年脑类器官、2018 年血管化类器官、2019 年肿瘤类器官等持续涌现,推动类器官成为再生医学和精准医学的核心工具。骨类器官作为重要分支,聚焦骨再生、骨疾病建模、药物筛选三大应用方向,但标准化共识长期缺位,制约临床转化。

研究目标:1. 梳理类器官研究历史里程碑;2. 系统定义骨类器官并建立分类体系;3. 整合骨类器官构建策略与多维鉴定方法;4. 推动骨类器官研究向 cGMP/临床级标准化迈进。

🧪 综述方法

文献检索策略

作者团队系统性检索 PubMed、Web of Science、Scopus 数据库 2010-2024 年骨类器官相关文献,纳入 iPSC/ESC/MSC 来源骨类器官构建、鉴定、应用三大主题的原创研究和综述,排除非英文文献与会议摘要。

纳入标准

• 细胞来源:iPSC、ESC、MSC（骨髓/脂肪/牙髓）、体细胞重编程来源
• 培养体系:3D 培养（Matrigel/Collagen/藻酸盐/合成水凝胶/生物反应器/微流控芯片）
• 鉴定维度:形态学（显微成像）、生物学功能（矿化/成骨分化/机械响应）、分子生物学（标志物基因/蛋白表达谱）
• 应用领域:骨再生修复、药物筛选、发育研究、遗传性骨病模型、骨肿瘤模型

评估框架

依据 OECD 良好实验室规范（GLP）和 ISO 10993 生物材料评价标准,对每项研究的培养条件可重复性、表征完整性、临床转化潜力进行多维评估。

数据提取

由 2 名独立评审者提取关键参数（细胞密度、培养周期、生长因子组合、鉴定指标）,分歧由第 3 名评审仲裁。

📊 核心结果与配图

1. 类器官研究关键里程碑（Fig 1）

类器官研究历经 1907 年 Harrison 体外组织培养起步,到 2009 年 Clevers Lgr5+ 肠干细胞 3D 培养突破,2013 年 Lancaster/Knoblich 脑类器官、2018 年血管化类器官、2019 年肿瘤类器官,直至 2021 年骨类器官血管化、2024 年多器官共培养。关键转折:从单细胞类型 3D 培养 → 多细胞类型共培养 → 血管化/神经化/免疫化整合 → 临床级标准化生产。

Figure 1. Key milestones in organoid research. 类器官研究时间线 1907-2019,涵盖早期组织培养阶段（1907 Harrison）、肠干细胞 3D 培养突破（2009 Clevers）、脑类器官建立（2013 Lancaster/Knoblich）、血管化类器官模型（2018-2019）、肿瘤类器官（2019）等关键节点。论文核心 claim:类器官研究从单细胞类型 3D 培养 → 多细胞共培养 → 血管化/神经化/免疫化整合,标准化共识逐步形成,为骨类器官提供技术演进框架。

2. 骨类器官定义与分类（Fig 2）

骨类器官是由 iPSC/ESC/MSC/体细胞在体外 3D 培养条件下形成的、具有多细胞组成、能模拟天然骨组织结构和功能的微型组织构建体。按发育阶段分类:(1) 早期骨类器官（软骨雏形阶段）;(2) 成熟骨类器官（含矿化基质和成骨细胞）;(3) 血管化骨类器官（含内皮细胞网络,模拟体内血管供应）。关键特征包括多细胞性（成骨细胞/破骨细胞/软骨细胞/内皮细胞/基质细胞）、自组装能力、可长期培养（>30 天）、遗传稳定性。

Figure 2. Overview of bone organoids: definition, cellular origin, key characteristics, and classification by developmental stage. (A) 骨类器官是体外 3D 培养复杂组织构建体,能复制骨组织结构和功能;(B) 细胞来源包括 iPSC、ESC、MSC（骨髓/脂肪/牙髓）、体细胞;(C) 关键特征为多细胞性、自组装、长期培养、遗传稳定。论文核心 claim:骨类器官按发育阶段分为早期（软骨雏形）、成熟（含矿化基质）、血管化（含内皮网络）三类,血管化是临床转化关键瓶颈。

3. 构建策略（Fig 3）

骨类器官构建整合三大策略:(1) 支架辅助法（scaffold-assisted）— 使用 Matrigel、Collagen I、藻酸盐、合成水凝胶（PCL/PLA/PEG）作为 3D 支架,提供机械支撑和生化信号;(2) 细胞自组装法（cellular self-assembly）— 利用细胞自组织能力,在悬滴培养、低黏附板、旋转培养中形成球体;(3) 生物反应器法（bioreactor-based）— 使用灌注生物反应器、旋转生物反应器、搅拌生物反应器,实现大规模扩增和动态培养。关键技术挑战:血管化整合、机械强度模拟、体内成熟度提升。

Figure 3. Construction strategies of bone organoids. 构建策略整合三大路线:(1) 支架辅助法（Matrigel、Collagen I、藻酸盐、合成水凝胶如 PCL/PLA/PEG）;(2) 细胞自组装法（悬滴培养、低黏附板、旋转培养）;(3) 生物反应器法（灌注/旋转/搅拌生物反应器）。干细胞来源包括 iPSC（来自体细胞重编程）、ESC（来自胚泡）、MSC（骨髓/脂肪/牙髓）。论文核心 claim:三种策略各具优势 — 支架辅助可控性强、自组装模拟体内过程、生物反应器适合规模化扩增,但血管化整合和机械强度仍是共性挑战。

4. 临床转化应用（Fig 4）

骨类器官临床转化涵盖五大方向:(A) 骨再生修复 — 包括骨缺损修复（颅骨/颌面骨/长骨）、股骨头坏死治疗、骨质疏松治疗;(B) 药物筛选 — 提供 3D 药物筛选平台,适用于骨合成代谢药物、抗骨吸收药物、抗骨肿瘤药物筛选;(C) 发育研究 — 模拟骨发育过程,研究骨骼形成、分化的分子机制;(D) 遗传性骨病建模 — 成骨不全症、骨硬化病、软骨发育不良等的体外模型;(E) 骨肿瘤建模 — 骨肉瘤、软骨肉瘤、转移性骨肿瘤的个体化药敏。

Figure 4. Applications of bone organoids. 五大临床转化方向:(A) 骨再生修复 — 骨缺损（颅骨/颌面骨/长骨）、股骨头坏死、骨质疏松治疗;(B) 药物筛选 — 骨合成代谢药、抗骨吸收药、抗骨肿瘤药的 3D 筛选平台;(C) 发育研究 — 模拟骨发育分子机制;(D) 遗传性骨病建模 — 成骨不全症、骨硬化病、软骨发育不良;(E) 骨肿瘤建模 — 骨肉瘤、软骨肉瘤、转移性骨肿瘤的个体化药敏。论文核心 claim:骨类器官已从基础研究进入临床转化早期阶段,标准化共识是规模化临床应用前提。

5. 多维鉴定体系（Fig 5）

骨类器官鉴定需多维度联合验证:(A) 形态学鉴定 — 显微成像（明场/相差/荧光/共聚焦）、组织切片 H&E 染色、扫描电镜观察矿化结节;(B) 生物学功能鉴定 — 矿化能力（Alizarin Red S 染色、von Kossa 染色）、碱性磷酸酶活性、机械性能测试、基因表达谱;(C) 分子生物学鉴定 — qPCR/Western blot/免疫荧光/单细胞 RNA 测序验证成骨标志物（RUNX2、Osterix、Osteocalcin、BMP2）、软骨标志物（Sox9、Collagen II）、血管标志物（CD31、VEGFA）的时空表达。核心共识:三类鉴定缺一不可,单一形态学或单一分子标志物不能作为类器官成功构建的充分证据。

Figure 5. Multidimensional and comprehensive identification of bone organoids. 三维鉴定体系:(A) 形态学鉴定 — 显微成像（明场/相差/荧光/共聚焦）、H&E 染色、扫描电镜;(B) 生物学功能鉴定 — 矿化能力（Alizarin Red S 染色、von Kossa 染色）、碱性磷酸酶活性、机械性能测试、基因表达谱;(C) 分子生物学鉴定 — qPCR/Western blot/免疫荧光/单细胞 RNA 测序验证 RUNX2/Osterix/Osteocalcin/BMP2（成骨）、Sox9/Collagen II（软骨）、CD31/VEGFA（血管）标志物。论文核心 claim:三类鉴定缺一不可,单一形态学或单一分子标志物不能作为类器官成功构建的充分证据,这是标准化共识的核心方法学基石。

💡 与代理产品的关联

面向客户:

• 对药企研发:"骨类器官 3D 药物筛选平台比 2D 培养更接近体内,标准化的旋转培养工艺是规模化扩增关键"
• 对学术 PI:"骨类器官血管化整合 + 多维鉴定体系是 2025 年顶刊共识方向,旋转生物反应器和微流控芯片是核心技术装备"
• 对 CDMO:"骨类器官 cGMP 生产需要标准化培养工艺和自动化操作平台,这正是 CelVivo + Femtobiomed 的优势场景"

🏷️ 结论

1. 骨类器官标准化共识已经形成:Theranostics 2025 综述首次系统化整合骨类器官定义、细胞来源、构建策略、鉴定方法、应用领域,为领域提供统一框架
2. 三大构建策略互补:支架辅助、细胞自组装、生物反应器三种策略各有优势,实际应用需根据目标（科研/药物筛选/临床转化）选择或组合
3. 多维鉴定体系是标准化基石:形态学 + 生物学功能 + 分子生物学三维鉴定缺一不可,这是判别骨类器官成功构建的最低共识标准
4. 临床转化五大方向已明确:骨再生修复、药物筛选、发育研究、遗传性骨病建模、骨肿瘤建模,血管化整合和 cGMP 生产是临床转化关键瓶颈
5. 未来方向:(1) 推动 iPSC 来源骨类器官 cGMP 标准生产;(2) 建立骨类器官生物银行（patient-derived）;(3) 与类器官芯片（organ-on-chip）整合实现动态培养;(4) 多组学（基因组/转录组/蛋白质组/代谢组）整合鉴定

📖 文献信息

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转发语: Theranostics 2025 上海交大苏佳灿团队骨类器官标准化共识重磅!首次系统化整合骨类器官定义、细胞来源、构建策略、鉴定方法、临床转化五大方向,提出"形态学+功能+分子"三维鉴定共识。骨类器官从科研到 CDMO/cGMP 转化的关键参考。🧠⚡

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