在日常生活中，骨折是較為常見的意外創傷，從運動時的不慎摔倒，到交通事故中的意外傷害，都可能導致骨折的發生。骨折後的癒合過程不僅關係到患者肢體功能的恢復，還對生活質量有著重要影響。一直以來，如何促進骨折的快速、有效癒合，是醫學領域的重要研究方向。
近日，發表於Bone Res的一項研究Callus organoids reveal distinct cartilage to bone transition mechanisms across donors and a role for biological sex為我們揭示了骨癒合過程中一些關鍵的機制，有望為未來的骨修復治療提供新的思路和方法。
隨著醫學技術的不斷發展，骨組織工程致力於透過組織工程策略修復骨缺損，以滿足臨床需求。然而，目前基於細胞的骨組織工程策略在臨床轉化方面進展有限，主要原因在於缺乏可靠的質量控制手段。這些手段既要能預測植入物的再生能力和效力，又要能反映生物變異性，並且可以透過非侵入性的方式進行測量，從而實現封閉系統製造和過程中的決策制定。
此外，在骨修復過程中，存在多種影響因素，如患者的生物學性別、年齡、疾病，以及環境因素、免疫系統、機械刺激和細胞間通訊等。其中，生物學性別對骨修復的影響，尤其是在軟骨痂形成和軟骨向骨轉化過程中的作用，尚未得到充分研究。
為了深入研究這些問題，研究人員利用人骨膜來源的細胞（hPDCs）構建了骨痂類器官模型。他們從12名不同的供體（6男6女，年齡16-29歲）獲取hPDCs，將其在特定條件下培養形成類器官。透過一系列實驗，包括組織學分析、轉錄組分析和分泌蛋白質組分析，研究人員對類器官的細胞特性、細胞外基質組成以及分泌的蛋白質進行了全面研究。同時，將構建的類器官組裝體植入裸鼠體內，觀察其在體內的骨形成能力。
在類器官形成和軟骨分化過程中，研究人員觀察到不同供體來源的類器官在形態和生長動力學上存在明顯差異。透過時間推移明場成像發現，部分供體的類器官在分化過程中尺寸顯著增加，且透明度較高；而另一部分類器官雖然也能在短時間內形成，但尺寸增長不明顯，且光學密度較高。
進一步分析發現，這種差異在性別上也有體現，男性供體的類器官在分化早期細胞數量增加明顯，尺寸也隨之增大；女性供體的類器官細胞數量初始增加有限，尺寸變化不明顯。不過，兩性類器官在分泌可溶性蛋白的量上相似，且在分化第21天細胞活力都較高。
組織學染色結果顯示，不同供體來源的骨痂類器官呈現出兩種不同的表型。一部分供體（5男1女）的類器官形成了肥大軟骨（HyC）表型，這類類器官具有豐富的細胞外基質（ECM）、硫酸化糖胺聚糖（sGAG），並表達軟骨特異性蛋白如膠原蛋白II（Col II）、印度刺蝟蛋白（Ihh）和osterix（Osx），細胞呈現肥大軟骨細胞形態。另一部分女性供體（4人）的類器官則表現為纖維軟骨（FiC）表型，雖然也有軟骨分化和ECM沉積的跡象，但ECM體積較小、成熟度較低，細胞形態呈纖維狀。
轉錄組分析表明，所有骨痂類器官都具有共同的軟骨分化特徵，涉及骨骼系統發育、ECM組織、TGF-β訊號通路和Hippo訊號通路等相關基因的表達。不過，HyC類器官和FiC類器官在基因表達上也存在差異。HyC類器官中與葡萄糖代謝、細胞外基質穩定性相關的基因表達較高；FiC類器官則具有更多與彈性纖維形成、細胞外基質降解相關的基因表達，同時還表達一些抑制TGF-β/BMP訊號的基因。
透過對類器官分泌蛋白質組的分析，研究人員鑑定出了不同類器官分泌的特異性蛋白質。HyC類器官分泌的蛋白質包括整合素結合唾液蛋白（IBSP）、軟骨連線蛋白（CHAD）等；FiC類器官分泌的蛋白質則有含壽司重複序列蛋白（SRPX2）等。此外，研究還發現了一組在軟骨向骨轉化過程中共同分泌的蛋白質，這些蛋白質與細胞外基質修飾、細胞遷移、免疫細胞啟用和血管生成相關。
將不同表型的類器官組裝體植入裸鼠體內4周後發現，HyC和FiC類器官組裝體都能在體內形成骨小骨，實現軟骨向骨的轉化。不過，兩者在骨形成效率和骨組織質量上存在差異。HyC類器官來源的植入物在產生高質量骨組織的體積上更具優勢，且在植入物中發現了更多的人源細胞，尤其是在小梁骨區域。
這項研究透過構建骨痂類器官模型，深入探討了供體差異和生物學性別對骨修復過程中軟骨向骨轉化機制的影響。研究發現的兩種不同的軟骨向骨轉化途徑，以及確定的分泌蛋白質組生物標誌物，為骨組織工程中質量控制和效力預測提供了潛在的工具。
未來，這些生物標誌物有望用於開發非侵入性的檢測方法，在臨床治療中，幫助醫生更準確地評估骨修復情況，制定個性化的治療方案，從而提高骨修復治療的效果，讓骨折患者能夠更快、更好地恢復健康。
參考文獻：
Decoene I, Svitina H, Belal Hamed M, et al. Callus organoids reveal distinct cartilage to bone transition mechanisms across donors and a role for biological sex. Bone Res. 2025;13(1):41. Published 2025 Mar 26. doi:10.1038/s41413-025-00418-z
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