NatureCommunications|四川大學李中瀚教授課題組建立基於人多能幹細胞的SOX9+生骨節前體細胞分化體系

骨骼系統由骨和軟骨組織構成，為人體提供支撐、保護及肌肉附著點，支援運動。骨發育相關疾病，如成骨不全症、先天性脊椎骨骺發育不良等，嚴重影響生活質量，甚至導致胎兒死亡，是重要的基礎醫學問題。然而，由於人類骨組織獲取困難，且缺乏具有自發育能力的器官模型，顯著制約了我們對於人源骨組織發育原理和骨發育相關疾病分子機制的解析。因此，建立高效、均一的分化體系以獲取種子細胞，並構建精準的骨骼發育模型，對揭示骨發育調控機制及挖掘治療靶點具有重要基礎科學意義。

人類骨發育主要透過膜內成骨和軟骨內成骨兩種方式。大部分骨骼，如胸骨、四肢骨等，透過軟骨內成骨發育。該過程始於間質細胞凝集形成軟骨原基，隨後經歷軟骨細胞肥大、血管入侵等階段，最終形成具有骨髓腔的骨組織。生長板結構是骨骼幹細胞的主要駐留區域，肥大軟骨則調控基質礦化、分泌血管內皮生長因子，並分化為成骨細胞等，構建支援造血的微環境。儘管利用間充質幹細胞、人多能幹細胞等在骨組織構建中取得了一定進展，但成體幹細胞存在發育譜系不明確、異質性高等問題，限制了其應用。現有基於人多能幹細胞的模型耗時較長，且無法模擬早期發育過程及生長板形成。因此，構建更接近體內發育程序的全功能人類軟骨內成骨模型仍是研究熱點和難點。

2025年3月21日，四川大學李中瀚教授課題組在Nature Communications上發表題為“Recapitulation of endochondral ossification by hPSC-derived SOX9⁺ sclerotomal progenitors”的研究論文。該研究開發了一種高效分化體系，成功從人多能幹細胞（hPSCs）中以>99%的分化效率獲得了SOX9⁺生骨節間質前體細胞（SOX9⁺ scl-progenitors），解決了傳統分化過程中的細胞異質性問題。這些前體細胞具有優異的成軟骨和成骨分化潛能。

透過無血清譜系定向誘導方法，可分別發育為軟骨前體細胞和（軟骨內成骨定向的）早期軟骨細胞。其中經成球培養形成的軟骨前體細胞移植後發育為透明軟骨組織，可介導免疫缺陷小鼠關節缺損修復；而在高密度貼壁培養條件下，SOX9⁺ scl-progenitors經間質凝集發育為（軟骨內成骨定向的）早期軟骨細胞，移植後透過軟骨原基形成、肥大軟骨分化、血管侵入等過程發育為含髓腔的骨組織，高度模擬軟骨內成骨過程。更重要的是，兩種前體細胞有序融合後，能夠自發形成具備極性伸長能力的生長板樣結構，其分子和細胞組成與胚胎長骨組織高度相似，且形成的骨組織具有人類原代組織的力學效能。

此外，該研究鑑定了ITGA9作為SOX9⁺ scl-progenitors的表面標誌物，為骨骼發育研究和生物工程提供了重要的種子細胞來源。同時，建立了SOX9⁺ scl-progenitors的無血清擴增體系，可在2個月內實現約15,000倍的擴增，為骨發育研究提供了規模化的細胞來源。綜上，本研究提供了一套基於hPSCs的軟骨內骨化及生長板形成的模擬體系，為研究骨-造血系統微環境及骨發育缺陷疾病機制提供了新正規化。