骨类器官的模块化活体组装与原位引导血管化

《Bioactive Materials》：Modular living assembly of bone organoids with in situ guided vascularization

类器官已成为重现组织结构与功能的有力策略，为再生医学开辟了新途径。然而，对异质性类器官单元组装的控制不足以及由此导致的组织尺度空间结构丧失，阻碍了其临床转化。此外，宏观类器官构建体面临扩散受限的氧和营养物质运输问题，导致中心坏死。血管整合不良会阻碍类器官的进一步发育和成熟，最终影响功能整合。为解决这些局限，研究人员开发了新类器官可视化与组装（NOVA）策略，该策略将生物打印与基于水凝胶的生物粘附组装相结合，实现了骨类器官的高通量模块化组装。利用该策略，研究人员构建了具有原位单向引导血管化的组织尺度管状骨类器官移植物。该结构实现了血管生成与成骨过程的时空耦合，增强了骨类器官的成熟与功能，并具备通过一步手术移植及快速灌注修复骨缺损的潜力。

论文解读

研究背景与意义

随着全球人口老龄化加剧，严重组织器官缺损的发生率持续上升。同种异体移植虽是临床金标准，但受限于供体并发症、免疫排斥及移植物失败等风险。类器官技术因其能部分重现天然组织的关键结构与生物学特征而备受关注，但其转化应用面临两大核心挑战：一是宏观构建体缺乏可控的血管网络，尺寸超过约400 μm时易发生中心缺氧坏死，移植后难以与宿主血管高效连接，导致缺血性损伤及功能恢复有限；二是现有组装方法（如自发融合、支架辅助 patterning、生物打印定位等）虽改善了空间组织，但仅靠几何控制无法解决生物整合问题，缺乏能维持结构内聚力、同时允许机械通讯与分子运输的细胞相容性界面。

为突破这些瓶颈，华中科技大学同济医学院附属协和医院整形外科团队在《Bioactive Materials》上发表了题为“Modular living assembly of bone organoids with in situ guided vascularization”的研究。该研究开发了NOVA（Neo-Organoid Visualization and Assembly）活体组装策略，通过明胶-多巴胺-甲基丙烯酰胺（GDMA）生物墨水实现了骨类器官的高通量模块化组装与原位血管化，为大尺寸、可灌注骨缺损修复提供了新的解决方案。

关键技术方法

研究人员主要采用了以下四项关键技术：

1. 1.
   新型生物墨水合成：通过酰胺反应合成明胶-多巴胺（GD），再与2-氨基乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐（AEMA）反应制备GDMA水凝胶，兼具光交联（甲基丙烯酰胺）与湿粘附（邻苯二酚）特性。
2. 2.
   DLP生物打印：利用数字光处理（DLP）技术打印高保真骨类器官模块，实现高通量制造。
3. 3.
   模块化组装：基于邻苯二酚介导的界面氧化交联（NaIO₄）或离子交联（FeCl₃），实现异质性模块的稳定组装。
4. 4.
   原位血管化构建：设计管状GDMA模块并预衬内皮细胞，构建可灌注分级血管网络，引导宿主血管单向长入。

研究结果

2.1 NOVA平台构建

NOVA平台整合了四大创新模块：

• •
  Neo-biomaterials：设计GDMA水凝胶作为支架材料，其富含多巴胺的界面增强细胞粘附，促进M2巨噬细胞极化，支持血管长入与成骨分化。
• •
  Organoid：利用DLP生物打印制造骨类器官模块，支持长期体外成骨诱导。
• •
  Vascularization：组装管状模块构建可灌注分级血管网络，实现与宿主血管的快速吻合。
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  Assembly：通过邻苯二酚介导的界面粘附，实现模块的规模化、空间可控组装。

2.2 GDMA水凝胶的合成与表征

研究人员成功合成了GDMA水凝胶，并通过FTIR、¹H NMR验证了邻苯二酚与甲基丙烯酸酯基团的成功引入。该材料具有高亲水性（接触角约35.2°），可通过UV光交联、NaIO₄氧化交联或FeCl₃离子交联形成稳定网络。力学性能显示，1000 kDa GDMA具有更高的刚度，适合高保真打印；而3500 Da GDMA则更柔软，利于细胞增殖。材料在PBS中14天内保留50%以上质量，表现出良好的降解稳定性。

2.3 孔隙率与粘附组装性能

SEM分析显示，1000 kDa GDMA水凝胶在10%–15%浓度下形成均匀稳定的内部结构，孔径主要分布在30–50 μm，利于间充质干细胞（MSC）生长与浸润。粘附测试表明，GDMA在干/湿条件下均对猪皮具有强粘附力。通过剥离、搭接剪切和拉拔试验验证了其界面粘附强度。利用该特性，研究人员成功打印并组装了耳、肾、肝、脊柱等宏观器官模型，以及耳蜗、肝小叶等微观结构，并构建了三维血管灌注系统，证明了其在大尺度异质性骨模型构建中的高保真度（通过结构相似性指数SSIM评估）。

2.4 打印与组装性能

通过流变学测试评估了GDMA的打印性能，证实其具有合适的储能模量（G′）和屈服应力，保证了挤出打印的稳定性。模块组装后，界面结合紧密，能够承受灌注压力，实现了复杂管状骨类器官构建体的快速构建。

2.5 体外骨类器官培养与血管化

在体外成骨诱导下，GDMA组装的骨类器官模块表现出显著的碱性磷酸酶（ALP）活性及骨钙素（OCN）表达，表明其具有良好的成骨分化能力。通过共培养内皮细胞，在管状模块内形成了内皮化管腔，体外灌注实验证实了其通畅性。

2.6 体内血管整合与骨修复

将构建的管状骨类器官移植物植入皮下模型，结果显示，GDMA组能够实现宿主血管的快速单向长入，并与预构建的血管网络实现吻合，显著提高了移植物存活率。组织学分析显示，实验组血管密度（CD31⁺）及骨基质沉积（Col1⁺、OCN⁺）显著高于对照组，且M2巨噬细胞浸润增加，表明其营造了促再生的免疫微环境。在大动物（猪）长骨缺损模型中，该移植物实现了快速灌注与骨缺损修复。

讨论与结论

本研究开发的NOVA策略，通过GDMA生物墨水的湿粘附与可打印性，解决了骨类器官宏观组装与血管化的核心难题。该策略不仅实现了组织尺度构建体的高保真制造，更通过原位引导血管化，促进了血管生成与成骨的时空耦合，加速了移植物在体内的功能成熟。GDMA材料的可调力学性能与生物活性，为复杂组织工程提供了新的材料平台。该技术有望推动类器官从实验室研究向临床骨缺损修复治疗的转化。