创新构建“模块化”策略，激活内源骨骼干细胞，动态调控再生微环境、有效抑制纤维化，重现发育再生的速度。

大尺寸骨缺损（如严重创伤、肿瘤切除后）或骨质疏松性骨缺损的修复，一直是临床医学面临的重大挑战。传统的骨再生范式通常依赖金属或合成性支架，但其会限制非生物降解结构内的充分血管化和新骨生长潜力。通过高剂量干细胞或局部递送生长因子等来模拟成熟骨的再生策略，体内细胞存活率有限、血管供应不足以及不可避免的异位骨形成。因此，迫切需要开发能够长期活性维持且可吸收生物材料、强效干细胞和生理剂量可溶性因子的组合式骨再生策略。此外，常见促再生手段往往只关注最终的“骨量”结果，却忽略了不同治疗方式背后激活的细胞类型和再生机制的本质差异，阻碍了进一步对关键促骨再生细胞和分子信号的认知。

近日，浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授团队创新性地提出了“分而治之”（Divide-and-Conquer）的模块化再生策略，成功构建激活内源仿生骨发育时序性细胞事件的“骨化中心样类器官”（Ossification Center-like Organoids, OCOs），在动物模型中实现了骨缺损的快速、高质量愈合，并基于损伤修复过程的细胞解析，在单细胞分辨率揭示了其模拟骨发育过程的细胞学机制。2025年7月4日，该研究以"Divide-and-conquer strategy with engineered ossification center organoids for rapid bone healing through developmental cell recruitment"为题，发表于Nature Communications上。

研究背景与现状

类器官赋能生理剂量生长因子，避免引发异位骨化风险

发育组织工程作为再生医学领域的前沿方向，近年来受到学界广泛关注。其核心在于融合细胞结构设计与发育生物学原理，构建适应复杂再生微环境的生物系统。该领域研究显示，干细胞与自然愈合过程中产生的骨形态发生因子可通过形成中间态无血管软骨基质，经软骨内成骨途径实现新生骨组织再生。骨形态发生蛋白（BMPs）作为治疗大型骨缺损的常规策略之一，超生理剂量的重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）虽可通过局部递送实现骨再生，但其临床应用受限于异位骨化（Ectopic Ossification）的高风险。相较于单纯负载rhBMP-2的胶原载体系统，搭载基于外源性干细胞的骨类器官复合递送体系可显著减少rhBMP-2体内应用的异位骨化发生，为探究其在体内快速骨再生中的作用提供了极具潜力的研究模型。

神经调控骨再生：从发育到修复的突破性机制

神经营养因子调控的神经支配（Innervation）在初级和次级骨化中心发育中扮演关键角色，通过促进血管化、骨与软骨谱系分化，构建骨骼发育的神经调控网络，为理解骨再生机制提供了全新维度。骨发育高度依赖感觉神经纤维的密集支配，这种神经依赖性作为干细胞生态位的持久决定因素，是骨折修复不可或缺的生物学基础。以往研究发现：在骨修复进程中，神经再生进程早于血管生成与成骨阶段，神经生长因子（NGF）-TrkA信号通路的破坏将直接导致血运重建障碍与骨化延迟。尽管神经肽家族展现巨大潜力，但实现临界尺寸骨缺损全层再生的核心瓶颈仍在于：缺乏能够体内时空耦合骨修复进程释放神经肽的仿生设计，难以精准复现神经支配-血管生成-骨形成的序贯性组织形态发生过程。

研究主要结果

1神经肽CGRP 协同BMP-2

实现成骨分化1+1>2效应

研究人员发现，降钙素基因相关肽（CGRP）可独立显著提升间充质干细胞成骨分化效率，同时维持细胞增殖活性并延缓细胞衰老。当CGRP与经典骨形态发生蛋白BMP-2（生理剂量）联用时，二者产生显著协同效应——成骨诱导第7天及14天实验均显示，联合处理组在成骨标志物（ALPL/RUNX2）表达及矿化能力上均显著优于单独使用组，实现了干细胞成骨潜能的最大化激活。

图1：神经肽CGRP协同生理剂量BMP-2促进MSCs高效成骨分化

2核心技术：生物打印仿生发育，构建“骨化中心类器官” (OCOs)

该项研究利用先进的光交联3D打印技术，构建了模仿天然骨发育过程中“骨化中心”结构与活性信号组成的骨类器官。其设计采用了独特的“双模块化”结构体系：

“成骨诱导核心单元”：由负载间充质干细胞（MSCs）的3D打印结构构成，并负载强大的骨形态发生BMP-2和神经肽CGRP信号，是驱动骨形成的长效“发动机”。

“促血管化外壳层”：在核心周围分布着富含促血管化神经肽Substance P信号，如同“前哨部队”，负责快速建立募集内源干细胞与滋养新骨生长的血管网络。

图2：一体化生物打印具有双模块神经肽的工程化“骨化中心类器官”

3惊人效果：快速愈合 & 再现发育过程

快速骨桥接与高质量愈合：OCOs实现了骨缺损部位的快速骨桥接和“骨化中心样”愈合，并伴随软骨样基质形成，终末期OCOs骨修复效果显著优于传统方法。

图3：OCOs通过连续的骨化中心样类器官融合桥接骨缺损

“自组装”体内动态融合：多个OCO模块并非各自为战，而是经历了从离散分布到渐进式空间融合的动态过程。它们在缺损区域诱导形成了空间连续、类似“次级骨化中心”的结构群落，在组织学层面精准重现了骨发育时期次级骨化中心的时空演进特征。

图4：OCOs通过连续的骨化中心样类器官融合桥接骨缺损

4科学揭秘：激活再生型干细胞，抑制纤维化成纤维细胞

研究团队运用尖端的单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术深入探究了OCOs促进再生的细胞机制，发现了关键奥秘：

招募并扩增再生型Krt8+SSCs：OCOs在体内融合成熟的过程中，独特地招募并显著扩增了一个主导性的干细胞群体——Krt8+骨骼干细胞（SSCs）亚群。这类细胞具有发育模拟特性，是高效骨再生的关键“种子”细胞。

抑制纤维化Has1+MFs：尤为重要的是，在OCO植入后两周的关键窗口期，研究人员观察到一个此消彼长的关键变化：Krt8+SSCs 特异性扩增的同时，Has1+迁移性成纤维细胞（MFs）的数量同步显著减少。这些MFs被定义为是导致病理性纤维化（疤痕组织形成，阻碍骨再生）的“元凶”。

图5：发育型Krt8+骨骼干细胞亚群主要被骨化中心类器官募集

5AI模型跨物种比较：再现发育期细胞比例

该研究还通过机器学习驱动的跨物种比较分析，发现OCOs诱导的再生环境中，关键的 Krt8+SSCs / Has1+MFs 细胞组成比例，与公共数据库中发育期骨组织中该组成的比例高度相似。这强有力地证明了OCOs成功重构了有利于骨再生的发育早期干细胞微环境。

图6：通过机器学习的跨物种比较揭示Krt8+SSCs在骨再生和骨发育中的相似度

超越愈合，开辟再生医学新路径 本研究的突破性意义在于：

理念创新：以骨修复过程中组织动态发生的视角构建“发育型骨类器官”，提出并验证了“分而治之”的模块化再生策略。

技术突破：生物打印结合类器官技术，批量化构建功能化、模块化的骨再生单元OCOs。

机制深刻：在单细胞水平揭示了OCOs通过激活Krt8+SSCs、抑制Has1+MFs，重构发育微环境来实现快速、高质量骨再生并有效抑制纤维化的核心机制。

扁骨损伤修复新认知

传统观点认为软骨内成骨（Endochondral Ossification, ECO）是长骨发育的特异性路径，但近年来多项研究已揭示，在特定病理条件下，类似ECO的骨形成可塑性可被重新激活并参与颅骨等扁骨的修复过程。在这项研究中，OCOs移植后通过原位成熟，自发形成神经-血管-骨化三重网络耦合的组织形态，复现了发育生物学中的骨愈合的软骨内骨化的级联反应。

本研究不仅是一项骨再生技术的重大突破，更是再生医学理念的一次提升。它巧妙地运用工程化手段“师法自然”，通过3D打印“骨化中心类器官”，动态调动和协调体内的再生力量，实现了“分而治之，合而愈之”的完美效果。不仅为大尺寸骨缺损、骨质疏松性骨缺损等临床难题提供了极具潜力的解决方案，也为理解生物材料如何激发体内再生细胞提供了重要的生物学依据。

浙江大学医学院附属第一医院特聘研究员张显著为本文的第一作者，浙江大学医学院蒋炜、吴心宇硕士研究生为本文的共同第一作者。浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授为本文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划项目2023YFB3813000和国家自然科学基金项目T2121004、92268203等的资助。