再生医学正在从“加入一种细胞或材料”转向更精细的问题:细胞将走向何种命运,支架如何组织多层结构,材料又怎样在时间尺度上调节力学、降解和局部化学环境?
近期的几项研究覆盖单细胞建模、组织支架、细胞外基质、器官芯片与生物陶瓷。共同变化是,研究者不再只比较终点效果,而是尝试建立可预测、可加工、可验证的设计规则。
01 · 单细胞|命运景观|神经发育细胞命运不只可回溯,也可能被提前预测
新框架从单细胞数据重建发育路径,并预测未参与建模的动态信号条件下,神经祖细胞将走向何种命运。
该研究提出动态景观分析框架,将动力系统理论与单细胞转录组数据整合,用于识别稳定细胞状态、描绘转换路径并生成命运景观;随后应用于脊椎动物神经管发育,并以人胚胎类器官数据进行跨物种验证。
模型捕捉到SonicHedgehog信号驱动的祖细胞特化,并呈现一种非预期拓扑:起初分离的谱系可沿多条不同路线汇聚到同一命运。模型还准确预测了未用于建模的动态信号方案下的细胞反应和命运分配;人胚胎类器官数据支持这种决策架构具有跨物种保守性。
关键数据
模型可识别稳定细胞状态并映射状态转换路径
起初分离的谱系可经多条路线汇聚至同一命运
跨物种验证使用人胚胎类器官数据
这项研究值得关注的地方
它把单细胞数据由静态状态图推进为可检验的动态预测框架,为比较不同信号时序下的发育选择提供了工具。
注:
证据来自发育数据、数学模型与类器官验证;预测准确性不等同于所有转换机制均已获得实验性因果确认,也不能直接外推至临床干预。
02 · 尿道重建|多层支架|兔模型尿道支架能否同时重建上皮与肌层
双细胞、多层水凝胶支架在兔尿道内维持管腔,并形成分层上皮和有序平滑肌,为减少单层修复局限提供线索。
该研究构建仿生多层尿道支架,将预分化口腔黏膜细胞和脂肪来源间充质干细胞置于甲基丙烯酰化明胶—丝素蛋白水凝胶中,并用电写与静电纺丝聚合物网增强;支架植入兔尿道后随访12周。
植入后可见较好的组织整合,早期免疫激活为短暂表现,系统状态保持稳定,尿道管腔结构得以维持。组织学观察显示分层尿路上皮和排列有序的平滑肌束形成,纤维化有限。结果说明,多层结构、双细胞配置与网状支撑可以在兔模型中协同支持尿道组织重建。
关键数据
植入兔尿道后随访12周
形成分层尿路上皮和有序平滑肌束
早期免疫激活短暂,且纤维化有限
这项研究值得关注的地方
研究把上皮覆盖、肌层组织和支架力学支撑纳入同一构建体,回应了尿道修复需要多层组织协同恢复的问题。
注:
这是兔模型中的组织整合与组织学证据;动物数量、排尿功能、长期狭窄复发及人体安全性尚不能据此判断。
03 · 胶原束|大分子拥挤|基质工程把胶原做成细胞尺度粗束,细胞行为随之改变
大分子拥挤可快速组装可调的微米级胶原束,用来模拟纤维化和肿瘤基质,并支持血管芽生与生物打印。
该研究开发大分子拥挤策略,不依赖温度或pH驱动凝胶化,将I型胶原快速组装为连续、粗大的微米级束状结构。研究进一步测试其对细胞状态转换、肿瘤侵袭、内皮芽生及加工性能的影响,并验证多物种胶原和脱细胞基质的兼容性。
所得胶原束尺寸可调,可匹配健康或病变组织中的基质形态,并重建纤维化及癌相关基质特征。单细胞尺度的束状结构支持稳健的内皮芽生和定向微血管网络形成,包括原本限制血管生成的基质环境;其悬液还可挤出打印和注射递送,显示结构调控可成为操纵细胞行为的独立变量。
关键数据
形成连续、粗大的微米级I型胶原束
兼容多物种胶原及富胶原脱细胞基质
支持定向微血管网络形成、挤出打印和注射递送
这项研究值得关注的地方
该方法弥补常规胶原凝胶缺少组织尺度束状结构的问题,使研究者能够单独检验纤维几何与拓扑对细胞行为的影响。
注:
结果主要来自体外材料与细胞实验;不同组织中的长期稳定性、宿主反应及疾病模拟的真实性仍需动物和人体来源样本验证。
04 · 肠芯片|无洁净室|快速成组织不用洁净室,肠组织在芯片上三天成形
低门槛加工的膜集成芯片在72小时内形成肠上皮及内皮界面,同时保留流动培养和屏障研究所需的结构。
该研究以数字切割机和等离子体辅助黏合制造膜集成PDMS微流控装置,无需光刻掩模、母模或洁净室。研究制备单通道和双通道器官芯片,分别集成商业聚碳酸酯膜与实验室制细菌纳米纤维素膜,并培养肠上皮及内皮细胞。
加工分辨率达到150µm,黏合界面拉伸强度超过370kPa,在最高20ml/min流量下未发生泄漏。肠组织于72小时内形成,而常规PDMS或Transwell模型通常需1至3周;生理剪切力下,Mucin-2和Villin表达提高2至3倍。双通道系统同期形成具有屏障功能的上皮—内皮界面,且膜材料影响成熟形态。
关键数据
加工分辨率为150 µm,界面拉伸强度超过370 kPa
最高20 ml/min流量下无泄漏
72小时形成肠组织,分化标志物表达提高2至3倍
常规模型通常需要1至3周实现上皮分化
这项研究值得关注的地方
它同时降低芯片制造门槛和组织培养时间,使快速迭代膜材料、流动条件及细胞界面成为可能。
注:
这是体外微生理系统;标志物和屏障形成不能完整代表人体肠道功能,跨实验室重复性及药物预测性能仍需专门验证。
05 · 卵巢衰老|外泌体|铁死亡外泌体改善老龄小鼠卵巢指标,关键线索指向铁死亡
脐带间充质干细胞外泌体改善老龄小鼠的卵泡、卵母细胞和分子指标,但能否改善生育结局仍待验证。
该研究使用31至33周龄雌性小鼠,每组8只,在两周内腹腔注射人脐带间充质干细胞来源外泌体10次;每次240µL,浓度为6.5×10¹⁰颗粒/mL。研究评估卵泡发育、卵母细胞产量、DNA损伤、线粒体代谢状态及铁死亡相关指标。
外泌体处理增加初级和窦卵泡数量,但原始卵泡数量无显著变化;同时降低TUNEL强度,改善卵母细胞产量和线粒体代谢状态。处理后NRF2核转位增加,GPX4、SLC7A11上调,4-HNE、ACSL4下调,并恢复AMH、BMP15及类固醇生成相关蛋白,整体变化与抗氧化防御增强和铁死亡受抑一致。
关键数据
31至33周龄雌鼠,每组8只
两周内注射10次,每次240 µL
外泌体浓度为6.5×10¹⁰颗粒/mL
原始卵泡数量未发生显著变化
这项研究值得关注的地方
研究把卵泡与卵母细胞表型同氧化损伤、铁死亡相关分子变化联系起来,为检验细胞外囊泡的作用环节提供候选指标。
注:
证据限于小鼠和分子、细胞层面的终点;尚不能据此判断妊娠、活产、后代安全性或人体卵巢衰老中的治疗效果。
06 · 生物陶瓷|溶解动力学|局部微环境烧结温度如何决定生物陶瓷的降解节奏
通过调节玻璃相与晶相比例,硅酸盐陶瓷的溶解、局部pH和细胞相容性可以被纳入同一预测框架。
该研究以气溶胶法制备钙—镁—硅酸盐基质,并在700至1100°C范围内烧结,通过改变非晶玻璃网络与晶体晶格比例调控降解。研究开展纵向浸泡实验,以Korsmeyer–Peppas模型拟合溶解数据,并检测局部pH和MC3T3-E1细胞代谢活性。
富非晶材料表现为快速、准Fick溶解,模型指数n为0.25;高结晶材料转为扩散主导,n为0.58,并在21天内将质量损失控制在2.59%。这一条件下界面pH维持在7.4至8.0,MC3T3-E1代谢活性约为300%。结果将热处理历史、相组成与后续传质行为建立了定量联系。
关键数据
烧结温度范围为700至1100 °C
准Fick与扩散主导条件的n值分别为0.25和0.5821天
质量损失为2.59%
界面pH维持在7.4至8.0
这项研究值得关注的地方
研究表明,材料降解不必只在制备完成后被动测量,还可依据相组成预先设计,从而约束局部碱化风险。
注:
结论基于体外浸泡、动力学拟合和MC3T3-E1细胞实验;骨内复杂流体环境、力学载荷及长期成骨效果尚未得到动物证据支持。
07 · 软骨工程|脱细胞基质|交联策略同样的基质颗粒,交联方式决定最终性能
脱细胞基质加入透明质酸水凝胶后,力学性能明显增强;不同交联化学进一步改变颗粒整合和软骨细胞表型。
该研究将脱细胞细胞外基质颗粒加入酪胺修饰透明质酸水凝胶,比较HRP/Eosin联合H₂O₂与过硫酸钠/钌两种交联体系。研究评估材料形态、黏弹和压缩性能,并在负载软骨细胞的水凝胶中进行14天培养。
加入脱细胞基质后,两种交联体系的储能模量均提高10倍,线性黏弹区保持不变,细胞DNA含量在14天内稳定。与过硫酸钠/钌体系相比,HRP/Eosin交联使颗粒更有效地并入网络,保留更多糖胺聚糖和胶原、减慢其释放,并伴随更强的COL2表达和更高的压缩模量。
关键数据
加入脱细胞基质后储能模量提高10倍
软骨细胞培养持续14天,DNA含量保持稳定
HRP/Eosin体系保留更多糖胺聚糖和胶原
这项研究值得关注的地方
研究提醒,生物活性成分相同并不意味着材料表现相同;交联方式会通过改变微观形态影响力学和细胞状态。
注:
证据来自体外水凝胶和软骨细胞培养;COL2表达与基质保留不能替代动物软骨缺损修复、承重性能及长期降解评估。
08 · 微生理系统|LCD打印|可变形基质五微米基质薄膜,为器官芯片加入可控形变
LCD 3D打印装置兼具流动、周期应变和分子通透性,可支持肺上皮细胞至少一周,为复杂芯片制造提供简化路线。
该研究利用LCD3D打印制造微生理系统,使装置同时具备微流体流动、生理相关周期应变和较低的罗丹明吸收。系统内置可挠曲、可渗透的细胞外基质薄膜,并以NCI-H441肺上皮细胞测试其培养支持能力。
脱水状态下,细胞外基质薄膜厚度约5µm,可使分子量最高约70kDa的物质较容易通过。薄膜能够支持NCI-H441细胞培养至少一周,同时装置可施加流动和周期性形变。结果说明,LCD打印能够把复杂三维结构与柔性生物界面整合到同一微生理平台中。
关键数据
脱水基质薄膜厚度约5 µm
可较容易通透最高约70 kDa的物质
支持NCI-H441肺上皮细胞至少培养一周
这项研究值得关注的地方
该制造路线为同时研究流体、机械应变和跨膜交换提供了统一平台,并可能降低复杂微生理系统的加工限制。
注:
目前仅以肺上皮细胞验证基础培养能力;组织成熟度、屏障功能、长期机械耐久性及其他器官模型的适用性仍需实验确认。
值得关注的趋势
01|从终点比较转向动态预测
细胞命运景观和陶瓷溶解动力学都试图用可验证模型连接输入条件与时间演变。材料或细胞状态不再只是事后描述对象,而成为可预先估计的设计变量。
02|微环境结构本身成为干预因素
胶原束尺度、水凝胶交联形态、膜材料和多层支架组织均改变细胞或组织表现。多项研究共同提示,化学组成之外,几何、拓扑和传质路径同样需要被明确控制。
03|制造门槛下降,但验证门槛上升
无洁净室芯片、LCD打印、可挤出胶原束和可注射材料扩大了实验可及性;与此同时,体外标志物、动物组织学与人体功能结局之间仍存在明显距离,后续需要更严格的功能和长期验证。
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