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【Nat. Biomed. Eng.】🧬“94.9%诱导效率 + 三维骨细胞网络再现！”——iPSC诱导下颌骨类器官的再生医学新突破 ​

近年来，诱导多能干细胞（iPSCs）在再生医学领域的应用蓬勃发展，尤其在人类器官和组织的三维建模方面取得了令人瞩目的成绩。然而，如何从人类iPSC高效、稳定地生成特定解剖学来源的结构性组织，仍是当前生物工程和组织再建的重要难题之一。而“下颌骨”——这一源自神经嵴、功能复杂且解剖独特的骨性器官，则代表了这一挑战的巅峰。 image.png

2025年7月，来自京都大学的研究团队在《Nature Biomedical Engineering》期刊上发布了一项突破性成果：他们通过建立三维诱导体系，以高达94.9%的效率从人iPSCs生成第一咽弓来源的下颌突中胚层（PA1-mdEM），并进一步成功构建出具有骨基质与成网骨细胞结构的“下颌骨类器官”（jawbone-like organoids）。这项研究不仅填补了人类下颌骨类器官长期空白，更通过疾病建模与动物移植实验展示出该系统在骨再生、遗传性骨病研究中的广阔前景。

一、为何是“下颌骨”？从解剖特性谈起 ​

下颌骨（mandible）不仅是人体最大、最具功能复杂性的单体骨骼之一，还直接参与咀嚼、发音、面部外形和呼吸调节等核心生理功能。它起源于神经嵴（NCC）迁移进入第一咽弓（PA1）后形成的中胚层区域，即所谓的“下颌突中胚层（mdEM）”。

与身体大多数骨组织来自中胚层不同，颌骨为神经嵴衍生组织。这种独特的胚源决定了其发育过程中受到特定发育信号（如Fgf8、BMP4、EDN1、Shh等）的调控，并展现出轴向区域化（proximal-distal 和 oral-aboral axes）的复杂图谱。

然而，当前尚无任何成熟的体外人类下颌骨模型能够：

  • 精确模拟PA1-ectomesenchyme 的区域分化；
  • 再现完整的成骨过程，尤其是三维网络结构的成熟骨细胞（osteocytes）；
  • 满足疾病建模与移植实验需求。

这一空缺成为再生牙科学、颌面修复、生物力学研究等领域的关键制约。

二、三维系统突破诱导瓶颈：94.9%效率重建“HOX阴性”神经嵴细胞 ​

研究的第一步是重建“胚胎起点”——即HOX阴性（HOX−）的前脑–中脑神经嵴细胞，它是未来下颌突组织唯一可靠的发育前体。

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采用经典的“SB431542 + CHIR99021”双小分子体系，研究者在低附着力的三维圆底板中诱导iPSCs形成类胚体，初期使用ROCK抑制剂Y-27632协助聚团稳定。

实验中加入了适量BMP4（10 ng/ml）以抑制神经外胚层分化（PAX6表达），促进中胚层/神经嵴谱系发生。最终，在第四天时检测：

  • CD271（p75NTR）高表达细胞比例达94.9 ± 1.9%；
  • 同时表达SOX10、TFAP2A、RHOB等神经嵴标志；
  • 诱导效率在不同iPSC系（包括疾病模型系）中表现一致。

通过RNA-seq和qPCR证实，所得细胞为HOX−（未激活HOXA/B/C类基因），属于前脑–中脑区段神经嵴谱系。进一步测试中，这些NCC还可稳定诱导为神经元、黑色素细胞、中胚层等下游分化谱系，显示其全能性特征。

三、模拟“第一咽弓”区域化：成功诱导mdEM与下游结构重建 ​

获得高纯度HOX− NCC后，研究转入第二阶段：如何模拟从神经嵴到“下颌突中胚层（mdEM）”的转化过程？

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他们结合胚胎发育研究设计了FGF8 + EDN1 + BMP4三因子组合（简称FEDB）进行七日诱导，模拟PA1环境信号。结果显示：

  • 中央区域形成DLX2+细胞，近端层表达DLX5+；
  • 最外层表达HAND2+、GATA3+，即重建了近-远端轴性；
  • 整体组织呈现出强烈的“从中到边”层级式命运谱系，与真实mdEM高度相符。

为进一步验证发育方向，研究者使用了EDN1受体阻断剂BQ-123，观察mxEM与mdEM的分化分岔，结果发现：

  • 缺失EDN1信号导致高表达上颌突标志（POU3F3、CYP26A1）；
  • 而RA诱导的后脑区NCC在FEDB诱导下无法生成mdEM；
  • 说明“初始A–P轴定位”对于后续咽弓分化极其关键。

他们还进一步构建了“远端cap域”与“近端-口腔域”诱导体系：

  • 高BMP4 + 低FGF8 → 诱导HAND1、HAND2、GATA3等distal cap标志；
  • 高FGF8 + SHH激动剂SAG + BMP抑制剂 → 诱导FOXF1、PITX1等oral–proximal标志；
  • 两类结构分布互补，清晰划分mandibular区域图谱。

这一系列分层诱导建立起从iPSC至具区域轴性、多结构谱系分化的mdEM构建框架，为后续成骨过程奠定细胞基础。

四、三维诱导成骨：首次重建骨细胞网络的“类器官” ​

以高密度聚团的mdEM为起点，研究者将其转入无异体、专为三维结构优化的成骨培养体系。

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到第38天时，组织直径达1–1.5 mm，表现出如下特征：

  • 显著的碱性磷酸酶（ALP）活性；
  • 钙沉积增强（Alizarin Red 和 von Kossa染色阳性）；
  • qPCR显示成骨标志（SP7、COL1A1、OCN等）高表达；
  • 骨细胞标志（PHEX、PDPN、尤其是成熟标志SOST）持续上升；
  • 脱钙后HE与Azan染色显现密集胶原纤维骨样组织；
  • 激光共聚焦成像下，SOST⁺ 成熟骨细胞形成清晰三维树突状网络结构，贯穿组织内外。

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这在iPSC诱导系统中尚属首次，再现了骨细胞被矿化基质“镶嵌”后依旧保持树突网络通信的真实骨生理结构。

另一个亮点是该类器官体系以“膜内成骨”为主，符合下颌骨真实发育方式（区别于四肢骨的软骨内骨化），极大提升建模的真实性。

五、疾病建模与移植应用：从实验室走向临床 ​

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为了评估类器官的临床应用潜力，研究团队分别进行两项功能性实验：

1. 移植进入免疫缺陷鼠肾囊：

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  • 4周后观察到矿化组织形成；
  • micro-CT 显示局部高密度钙沉积；
  • 组织免疫染色显示移植物含人类COL1、Vimentin阳性细胞，呈现成熟骨结构；
  • 同时出现微血管生成，提示向成熟骨组织过渡。

2. 替代下颌骨缺损：

  • 使用NSG小鼠，制造2.0 mm下颌骨穿孔缺损；
  • 将三个类器官团簇直接移植至缺口；
  • 4周后micro-CT分析显示

参考文献 ​

Motoike, S., Inada, Y., Toguchida, J. et al. Jawbone-like organoids generated from human pluripotent stem cells. Nat. Biomed. Eng (2025). https://doi.org/10.1038/s41551-025-01419-3