骨类器官已从简单的成骨类球体发展为整合血管网络、骨髓微环境及多细胞互作的复杂体系，但其功能成熟仍受限于长期活力、组织结构及代谢稳态的维持不足。线粒体代谢稳态为此提供了极具潜力的解决策略。作为能量代谢的核心枢纽与调控骨发育、重塑及稳态的关键信号平台，线粒体通过调

　　骨类器官已从简单的成骨类球体发展为整合血管网络、骨髓微环境及多细胞互作的复杂体系，但其功能成熟仍受限于长期活力、组织结构及代谢稳态的维持不足。线粒体代谢稳态为此提供了极具潜力的解决策略。作为能量代谢的核心枢纽与调控骨发育、重塑及稳态的关键信号平台，线粒体通过调控成骨谱系细胞的糖酵解向氧化磷酸化代谢转换，直接决定骨基质合成与矿化进程。本综述系统阐释了线粒体在成骨分化、钙信号传导及骨质量控制中的基础机制，并重点论述了力学刺激、电磁刺激及生物材料微环境如何通过靶向线粒体驱动骨类器官的功能成熟。骨类器官的构建需整合发育各阶段的线粒体代谢需求，确保能量-氧化还原适配、细胞器质量控制及异质性细胞群间的代谢偶联。基于此，研究人员提出了聚焦于线粒体代谢微环境调控的新一代骨类器官工程策略，指出主动干预细胞能量代谢可显著提升类器官的成熟度与生理保真度，为开发高保真骨类器官模型提供了新的理论框架与技术路径。

　　骨组织是具有高度动态性与复杂性的器官，其生理功能依赖于成骨细胞、破骨细胞及血管内皮细胞等多细胞谱系的协同调控。传统二维细胞培养无法模拟骨组织的三维结构及多向细胞通讯，而动物模型则受限于种属差异、实验周期长、成本高及通量低等问题，难以满足骨疾病机制研究与临床前药物开发的迫切需求。类器官技术的兴起为骨组织工程研究带来了变革性突破，目前已成功构建出功能性编织骨类器官、含完整血管网络的血管化骨类器官及造血骨髓类器官等多种模型，能够更真实地模拟骨组织的三维微环境与关键生理功能。然而，现有骨类器官仍面临血管化不足导致的中心缺血性坏死、能量供应与代谢微环境失衡等核心瓶颈，限制了其功能成熟与临床转化。线粒体作为细胞代谢的核心枢纽，不仅通过三磷酸腺苷（ATP）合成提供骨形成所需的能量支持，还可通过调控氧化还原平衡、钙信号、细胞命运决定、凋亡及线粒体自噬等过程维持骨细胞功能与骨稳态。因此，靶向线粒体功能是优化骨类器官代谢微环境、推动其功能成熟的核心策略。本综述以线粒体重编程为核心视角，系统阐述线粒体调控在骨类器官功能优化中的关键作用，首先总结骨类器官的研究进展与技术特征，明确当前构建与成熟的主要限制；继而梳理线粒体在骨生物学中的核心调控机制，强调线粒体代谢稳态对维持骨细胞功能与骨组织稳态的必要性；在此基础上探讨物理场刺激、金属离子及生物活性物质等外源性因素靶向调控线粒体的工程策略；最终提出以线粒体为核心的骨类器官评价体系，为标准化、高保真下一代骨类器官的开发提供理论基础与技术参考，推动其在骨疾病建模、药物筛选及临床骨再生治疗中的转化应用。

　　骨类器官是通过细胞自组织或生物工程组装策略在体外构建的三维组织模型，能够在一定程度上模拟天然骨组织的关键结构组分、细胞互作及部分功能特征。近年来，干细胞生物学、仿生材料设计、生物制造、微环境工程及动态培养技术的进步，推动骨类器官研究从早期成骨诱导模型向整合血管网络、骨髓微环境、免疫调节及力学刺激的复杂体系发展，应用范围也从骨发育基础研究拓展至疾病建模、药物筛选及再生医学策略评估。骨类器官工程主要依赖四大构建要素：细胞来源、支架系统与生物材料、微环境工程及动态培养平台。尽管已取得显著进展，但在长期活力维持、组织成熟、微环境整合及代谢成熟方面仍存在严峻挑战，制约了现有模型的生理相关性与功能表现。

　　骨类器官工程的核心构成要素包括细胞、仿生基质、生物活性因子及动态培养系统。细胞决定类器官的发育潜能与功能特性，仿生基质提供力学支持与生化信号，生物活性因子调控细胞间通讯与谱系定向，动态培养系统则提供模拟天然骨微环境的生物物理刺激。

　　种子细胞的选择是骨类器官工程的基础，直接影响构建物的分化潜能、生理相关性、疾病建模能力及转化应用。目前常用细胞来源包括胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）及间充质干细胞（MSCs）。ESCs与iPSCs具有强大的自我更新能力与多谱系分化潜能，适用于骨骼发育、谱系特化及疾病建模研究，其中iPSCs可通过患者体细胞重编程获得，在个性化疾病建模与药物筛选中具有独特优势，但成骨分化的复杂性、效率波动及批次一致性问题仍需优化。MSCs具有天然成骨倾向，是目前应用最广泛的种子细胞，具备组织来源广泛、易扩增、成骨潜能明确及免疫调节等优势，但供体依赖性差异及长期扩增后增殖与成骨能力的下降可能影响模型的重复性与稳定性。未来需根据应用目标优化细胞选择，提升分化效率、谱系稳定性与批次一致性，探索多细胞类型组合与诱导策略以增强类器官的结构复杂性与功能成熟度。

　　构建支持细胞自组织、谱系特化及组织成熟的三维微环境是骨类器官工程的关键前提。支架系统除提供结构支撑外，还通过模拟天然细胞外基质（ECM）的关键特征调控细胞黏附、增殖、分化及矿化，其生物相容性、力学性能及降解行为直接决定类器官的质量与功能。按来源可分为天然材料、合成材料及工程复合材。天然材料如胶原、明胶及脱细胞细胞外基质（dECM）具有良好的生物相容性与生物活性，其中骨源性dECM保留了天然基质组分与生物信号，具有内在成骨诱导性，但力学强度有限及批次差异限制了其规模化应用。合成材料如聚乙二醇（PEG）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）及聚乳酸（PLA）具有优异的设计灵活性与可调力学性能，但生物活性不足常需功能化修饰或与天然材料复合以提升成骨性能。近年来，工程水凝胶与有机-无机复合支架整合了两类材料的优势，可同时支持细胞封装、生化信号递送、力学调控及矿化模板形成，为骨类器官的成熟提供了更仿生的微环境。

　　骨类器官构建的焦点正从单纯成骨分化与矿物沉积转向复杂骨微环境的重构。天然骨是受骨骼细胞、血管网络、神经组分、免疫细胞、造血细胞群及多样生化与生物物理信号共同调控的动态系统。血管化是类器官长期存活与组织成熟的先决条件，随着类器官体积增大，被动扩散无法满足氧与营养需求，易导致缺氧、代谢产物积累及中心坏死，目前主要通过内皮细胞共培养、促血管生成因子（如血管内皮生长因子VEGF、血管生成素-1 Ang-1、血小板衍生生长因子-BB PDGF-BB）递送、微流控灌注、生物打印血管通道及宿主介导血管化等策略促进血管网络形成与成骨-血管生成偶联。骨髓微环境的重建进一步提升了类器官的生理相关性，通过整合造血干细胞与祖细胞、间充质基质细胞、内皮细胞、免疫细胞及破骨细胞相关群体的关键信号通路（如SCF、CXCL12、TPO、BMP、Wnt、RANKL、M-CSF），推动类器官从简单成骨模型向整合骨-造血-免疫系统的方向发展。神经调控是新兴研究领域，感觉与交感神经通过降钙素基因相关肽（CGRP）、P物质（SP）及神经生长因子（NGF）等分子调控骨细胞、破骨细胞及内皮细胞功能，将其纳入类器官构建有助于模拟天然骨生理。力学刺激是骨发育、重塑与功能维持的关键决定因素，体内骨持续承受压缩载荷、拉伸应变、流体剪切应力及基质刚度变化，这些力学信号通过整合素、Piezo离子通道、YAP/TAZ及Wnt/β-连环蛋白信号通路转化为生化信号，调控细胞增殖、谱系定向、基质沉积及矿化。因此，动态加载系统、生物反应器及微流控平台正逐步整合入骨类器官培养体系，以更好地模拟天然力学环境并促进组织成熟。未来需超越孤立的成骨诱导或血管化策略，实现血管、造血、神经及力学信号的协同整合，构建更具生理相关性的功能成熟骨微环境。

　　随着骨类器官结构复杂度提升，传统静态培养系统已难以支持其长期维持与功能成熟。静态培养依赖被动扩散进行物质交换，易导致大体积或高密度类器官的营养供给不足与废物积累。动态培养平台包括类器官芯片、微流控系统、灌注生物反应器及其他生物反应器技术，可增强传质效率并提供可控的流体流动与力学刺激，改善细胞间通讯、组织成熟与功能维持。对于骨类器官，灌注系统不仅能提升长期活力，还可促进成骨分化、血管化及基质矿化；类器官芯片技术则可重构骨-软骨、骨-骨髓及骨-血管等多细胞多组织界面，提升疾病建模与药物筛选的生理相关性。动态培养平台为骨类器官的长期培养、成熟与功能开发提供了关键技术支撑。

　　骨类器官研究已从聚焦成骨分化与矿物沉积的简单三维培养模型，发展为整合细胞自组织、仿生基质、血管化策略、骨髓微环境重建及多细胞互作的复杂体外系统，成为研究骨骼生物学、骨相关疾病建模、治疗候选物评估及再生医学策略开发的重要平台。当前进展主要分为四类：骨样类器官、血管化骨类器官、骨髓微环境样类器官及多细胞复杂骨类器官。

　　骨样类器官是最早且研究最为深入的模型类别，旨在模拟成骨分化、细胞外基质沉积、矿化及骨组织发育早期阶段。相比二维培养，其能更有效保留三维环境下的细胞-细胞及细胞-基质互作，是研究骨形成与成熟的重要体外平台。目前已可利用间充质干细胞、iPSC来源的间充质祖细胞及骨膜来源细胞构建出具有骨样细胞外基质与矿化组织特征的类器官，但仍难以完全复刻成熟骨组织的层级结构与功能复杂性，尤其是胶原纤维排列、骨细胞网络形成及成骨-破骨细胞偶联方面存在局限。

　　血管化是当前骨类器官研究的核心方向之一。随着类器官体积与复杂度增加，被动扩散无法满足氧与营养需求，导致中心缺氧、代谢产物积累及细胞死亡，严重制约长期活力与功能成熟。目前主要通过整合内皮细胞、促血管生成因子及动态培养系统促进血管生成与成骨的协同发育，但构建长期稳定、可灌注且功能整合的血管网络仍是重大挑战，未来需聚焦于提升血管成熟度、维持管腔通畅及实现血管结构与周围骨基质的紧密整合。

　　骨髓微环境是天然骨组织的核心组分，除造血功能外，还通过造血干/祖细胞、间充质基质细胞、内皮细胞、免疫细胞及骨相关细胞群的复杂互作调控骨形成、重塑、免疫稳态及组织再生。仅重建矿化组织不足以模拟天然骨的全部生理功能，因此整合骨髓微环境组分是提升类器官生理相关性的关键策略。现有模型通过整合造血细胞、免疫细胞、骨髓基质细胞及血管样结构，模拟骨-造血-免疫微环境，支持患者来源细胞的长期维持，并可模拟局部骨重塑过程与微环境细胞互作，但仍受限于细胞组成复杂性、空间组织精准控制难度及长期培养稳定性不足等问题。

　　多细胞复杂骨类器官代表了骨类器官工程的前沿方向，旨在单一平台内整合骨、血管、骨髓、免疫甚至神经结构等多种组织组分。天然骨是由成骨细胞、骨细胞、破骨细胞、内皮细胞、免疫细胞及神经相关群体构成的动态互联系统，单一成骨模型无法完全模拟其复杂性。目前干细胞自组织、生物制造及微环境工程的进步已能支持构建更复杂的多细胞多组织系统，如模拟软骨-骨互作的骨软骨类器官、支持神经-肌肉-骨骼谱系协同发育的神经肌肉骨骼类器官等，但不同细胞谱系成熟不同步、空间组织控制有限、细胞组成不稳定及长期组织稳态维持困难仍是主要瓶颈，实现多组织组分的精准组装与持续协调是未来开发高生理相关性模型的关键。

　　尽管在细胞来源、仿生基质设计、生物活性因子递送及动态培养技术方面取得了显著进展，现有骨类器官仍远不及天然骨组织的复杂性。天然骨是由多谱系细胞在层级化细胞外基质中相互作用，并持续受血管、造血、神经、免疫及力学信号调控的高度有序动态器官。现有模型多侧重模拟成骨分化、基质沉积或局灶矿化的特定方面，未能完全复刻天然骨的结构、功能与生理复杂性。尽管已尝试整合血管网络、骨髓微环境组分及多细胞互作，但在长期活力、组织成熟、微环境整合及生理稳态维持方面仍存在显著局限，集中体现为四大核心挑战。

　　长期活力不足是限制骨类器官规模化、功能维持及长期应用的主要障碍。天然骨中血管网络持续供应氧与营养并清除代谢废物，特定血管亚型（如H型血管）还与成骨祖细胞富集及骨形成密切相关。而现有骨类器官多依赖被动扩散进行物质交换，随着体积增大或细胞密度升高，中心区域常出现氧与葡萄糖供应不足，伴随乳酸、二氧化碳等代谢产物积累，导致局部酸化、细胞应激乃至死亡。细胞可能短暂切换至糖酵解以维持生存，但长期缺氧与代谢废物积累会进一步损害ATP生成，促进活性氧（ROS）过度产生并破坏线粒体功能，最终抑制成骨分化、细胞外基质合成及矿化。因此，长期活力不足本质上是类器官内部未能建立稳定的物质运输与代谢稳态，未来需致力于构建可灌注血管网络、整合内皮细胞与周细胞、建立微流控灌注平台，并系统探究氧梯度、营养梯度、pH波动及代谢废物清除对类器官成熟与长期功能的影响。

　　组织成熟不完全是当前骨类器官与天然成熟骨组织的核心差距。现有模型虽可诱导RUNX2、ALP、OCN等成骨标志物表达并实现不同程度矿化，但这些特征并不等同于成熟骨组织的形成。天然骨具有层级化的Ⅰ型胶原纤维、羟基磷灰石晶体沉积、广泛的骨细胞陷窝-小管网络及骨重塑过程中持续的成骨-破骨细胞偶联，骨细胞通过硬化素（SOST）、核因子κB受体活化因子配体（RANKL）及骨保护素（OPG）等分子主动调控骨稳态。组织成熟在细胞水平需要持续的蛋白质合成、胶原分泌、基质加工及矿物沉积，这一过程高度依赖ATP生成、钙稳态、氧化还原平衡及细胞器质量控制。线粒体不仅参与细胞能量生成，还调控氧化应激、线粒体动力学、线粒体自噬及线粒体相关囊泡分泌，均可能影响细胞外基质形成与矿化。因此，组织成熟不完全既是结构缺陷，也是细胞与代谢支持不足的结果，与代谢 competent 的细胞状态建立密切相关。

　　微环境整合有限制约了骨类器官模拟天然骨复杂调控网络的能力。骨骼稳态依赖于骨细胞、血管网络、骨髓微环境、免疫组分、神经输入及力学信号的协同互作。尽管已有研究成功构建了包含基质区室、血管样结构及造血细胞群的iPSC来源骨髓类器官，但多数模型仍聚焦于成骨细胞或间充质干细胞的成骨分化，对免疫细胞、破骨细胞、神经组分及生理性力学刺激的整合不足。巨噬细胞极化、降钙素基因相关肽（CGRP）等神经调节因子已被证实可显著影响骨修复微环境与间充质干细胞功能，其缺失限制了类器官模拟天然骨多系统互作的能力。此外，成功的微环境整合不仅需要细胞水平的协调，还需要代谢水平的匹配：成骨细胞需要大量能量支持基质合成与矿化，破骨细胞依赖酸化与溶酶体活性进行骨吸收，内皮细胞调控氧与营养递送，免疫细胞则随炎症信号发生代谢重编程。不同细胞群的代谢偶联依赖于合理的空间组织与动态互作，线粒体在成骨与髓系细胞间的转移已被证实可影响骨吸收，提示细胞间代谢通讯本身就是骨骼稳态的组成部分。因此，协同重建多细胞、多组织及多维微环境信号是骨类器官模型的核心目标。

　　代谢不成熟是骨类器官成熟过程中未被充分重视的关键维度，而非成骨分化的次要结果。长期活力不足、组织成熟不完全及微环境整合有限可能共享一个核心限制：无法建立代谢 competent 且稳态的组织状态。骨类器官的代谢成熟是指多种细胞群维持协调的能量生成、底物利用、氧化还原平衡、钙稳态、细胞器质量控制及细胞间代谢偶联的能力，足以支持长期存活、基质合成、矿物沉积、骨重塑及对动态微环境的适应。目前多数研究聚焦于组织结构、成骨标志物表达及矿化组织形成，对代谢状态的关注严重不足。类器官核心缺氧会损害氧化磷酸化，高细胞密度加速葡萄糖与氨基酸消耗，乳酸与二氧化碳积累导致局部酸化并干扰矿化，ROS水平失调损害细胞存活与分化，钙稳态紊乱影响基质矿化，细胞器质量控制不足导致功能障碍线粒体累积，细胞间代谢通讯缺失限制组织水平稳态建立。鉴于线粒体在能量生成、ROS调控及钙稳态中的核心地位，其功能可作为连接长期活力、组织成熟与微环境适应的关键指标。未来需建立专门的代谢成熟度评估框架，涵盖能量代谢、氧化还原稳态、钙调控、线粒体功能、细胞器质量控制及细胞间代谢互作等维度，推动骨类器官从成骨构建物向功能化骨样组织演进。

　　骨形成是高能耗生理过程，需要持续的能量供应以支持分化、基质合成及矿化。线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）及三羧酸循环（TCA）生成ATP与生物合成前体，驱动骨发育。现代研究表明，线粒体不仅是“细胞动力工厂”，还通过膜电位波动与ROS生成参与细胞内信号传导，通过融合-分裂动力学与选择性自噬维持细胞器稳态，并通过细胞间转移实现邻近细胞的功能代偿。在成骨分化与骨重塑过程中，细胞经历显著的线粒体代谢重编程与网络重构，表明线粒体是整合生物能量学、氧化还原稳态与质量控制的中心枢纽。阐明线粒体在骨生物学中的多维调控机制并建立以线粒体为中心的代谢优化策略，可为推进骨类器官技术及构建能维持生理稳态的下一代骨类器官奠定基础。

　　骨发育与稳态维持需要持续的能量供应与生物合成支持。线粒体作为细胞内能量代谢的枢纽，通过调控ATP合成及提供代谢中间产物，在成骨分化与骨重塑中发挥核心作用。破骨细胞分化主要依赖OXPHOS以满足其高能量需求与骨吸收活性；而成骨细胞传统被认为主要依赖胞质糖酵解，但新证据表明OXPHOS在骨发育中同样不可或缺：骨髓间充质干细胞（BMSCs）向成骨细胞分化需要线粒体呼吸链复合物活性及TCA循环提供α-酮戊二酸等关键代谢底物，支持组蛋白修饰与细胞外基质合成的生物能量需求。线粒体通过动态调控糖酵解与OXPHOS之间的代谢转换，匹配骨发育不同阶段对能量与生物合成的需求，是骨代谢重编程的核心节点。

　　底物进入线粒体后，葡萄糖经TCA循环逐步氧化分解，生成NADH与FADH

　　等电子载体，进而驱动电子传递链完成OXPHOS，合成大量ATP，为成骨分化与基质合成提供基础能量。ATP不仅是成骨生物合成与基质矿化的直接能源与磷酸供体，还可作为信号分子通过嘌呤能受体调控成骨谱系定向与分化。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD

　　比值动态调控TCA循环通量与呼吸链效率，进而通过细胞能量状态调节骨细胞分化能力。卵泡刺激素（FSH）即通过CREB-MDH2-NAD

　　轴增强破骨细胞氧化代谢，促进其成熟。TCA循环中间产物除经典生物能量学作用外，还可作为信号分子调控骨细胞命运：骨是人体最大的柠檬酸盐储库，柠檬酸盐通过调控TCA循环通量协调能量供应，并参与基质矿化与骨形成；α-酮戊二酸作为糖、氨基酸及脂质代谢的交汇点，通过表观遗传调控、胶原合成及维持线粒体氧化还原平衡促进成骨分化与骨合成代谢；琥珀酸不仅参与缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）稳定，还通过琥珀酸受体1（SUCNR1）通路促进破骨细胞分化。此外，谷氨酰胺等线粒体相关代谢物也可维持线粒体能量代谢并调控骨细胞分化，作为能量载体与α-酮戊二酸合成的关键底物，谷氨胺补充可促进间充质细胞向成骨谱系分化，并恢复机械卸载后骨细胞的机械敏感性。这些代谢物将线粒体定位为代谢重编程的整合者，将营养状态、氧化还原信号及分化程序与骨发育重塑的阶段特异性需求相耦合。

　　除代谢通路重编程外，线粒体生物发生是维持骨发育能量供应的关键保障机制。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）是该过程的核心调控因子，其缺失会显著降低皮质骨厚度、破坏骨小梁结构并损害骨抗弯强度。SIRT3通过维持PGC-1α-SOD2功能轴调控线粒体氧化还原稳态，其敲低会显著降低呼吸链复合物活性、耗氧率与膜电位，并诱导线粒体密度降低与体积增大等结构异常。钙信号也可激活线粒体生物发生并增强功能：人参皂苷Rg3通过升高细胞内钙离子浓度促进线粒体呼吸与ATP合成，增强人BMSCs的成骨分化能力。相比之下，破骨细胞分化表现出对OXPHOS能量供应的显著依赖性，一碳代谢酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2）通过增强线粒体肌酸激酶（CKMT1）介导的磷酸肌酸穿梭及电子传递链活性，驱动破骨细胞生成与病理性骨侵蚀；而L-精氨酸则通过将能量代谢从糖酵解重编程为OXPHOS，增加ATP与嘌呤代谢物生成，有效抑制破骨细胞分化与炎症性骨丢失。

　　活性氧（ROS）是线粒体电子传递链及其他酶反应产生的含氧活性分子，在细胞信号传导与氧化应激中发挥双重作用。作为细胞内ROS的主要产生部位，线粒体通过电子传递链复合物Ⅰ、Ⅲ等位点电子泄漏产生超氧阴离子，随后转化为过氧化氢等分子。在骨生物学背景下，ROS水平受到严格调控：生理浓度参与细胞增殖、分化及代谢适应，而过表达积累则导致氧化损伤。线粒体内建立了多层抗氧化防御系统，包括锰超氧化物歧化酶2（SOD2）、谷胱甘肽（GSH）过氧化物酶及硫氧还蛋白系统，可将超氧阴离子转化为过氧化氢并进一步清除，维持氧化还原稳态。值得注意的是，线粒体不仅是ROS的来源，也是其他细胞器来源ROS的“汇”，使其成为细胞氧化还原信号调控的关键枢纽。

　　线粒体ROS（mtROS）对骨发育与稳态的调控具有浓度依赖性：低水平作为信号分子激活适应性保护反应，高水平则诱导凋亡、衰老及异常分化。在成骨细胞中，mtROS通过调控FoxO转录因子活性维持骨骼稳态，FoxO通过持续上调SOD2等抗氧化酶抵御氧化应激，其功能丧失会增加成骨细胞凋亡、降低骨量并诱发骨质疏松表型。氧化应激是绝经后骨质疏松、老年性骨质疏松、糖尿病及肥胖的特征性表现，可直接抑制成骨标志物表达，同时激活MAPK与NF-κB信号促进破骨细胞分化。糖皮质激素性股骨头坏死、机械卸载导致的废用性骨丢失及氟化物致骨损伤中均存在ROS升高与抗氧化酶表达降低的现象，表明氧化损伤是骨丢失的关键驱动因素。针对病理性ROS升高的干预策略包括离子通道调控（如BK通道通过降低mtROS恢复代谢稳态预防糖尿病性骨丢失）、细胞治疗（如缺氧预处理BMSC来源外泌体通过BNIP3-ANXA2-TFEB轴诱导线粒体自噬，清除受损线粒体以减少ROS，缓解椎间盘退变）、生物材料设计（如多层ROS响应性水凝胶动态释放载药纳米胶束，同时清除细胞内与细胞外ROS，保护衰老BMSCs的DNA复制并促进老年骨缺损修复）及药物干预（如恢复糖皮质激素性股骨头坏死中降低的抗氧化酶活性）。这些策略共同表明，调控mtROS生成与清除的平衡而非 indiscriminate ROS清除，是维持骨代谢稳态的核心。

　　线粒体膜电位（MMP）是驱动ATP合成、调控蛋白导入及应激信号的质子动力势，直接控制骨细胞功能。在衰老骨修复微环境中，年轻BMSCs来源的细胞外基质通过SIRT3恢复线粒体稳态，提升MMP与ATP合成效率，从而恢复成骨功能。代谢过载时，线粒体通透性转换孔（mPTP）的开闭状态决定细胞命运：低电导闪烁允许离子交换以适应能量波动，而持续开放则导致基质肿胀、外膜破裂及促凋亡因子释放，触发细胞死亡。钙作为线粒体信号分子，与MMP耦联调控线粒体稳态。线粒体钙单向转运体（MCU）利用MMP梯度将胞质钙摄入基质，生理条件下缓冲钙波动并激活基质脱氢酶以促进ATP合成；但MCU过表达会导致钙超载，破坏MMP并诱导氧化应激，ROS积累进而抑制BMP/Smad信号并阻断成骨分化。在骨关节炎中，巨噬细胞的线粒体钙超载激活促炎表型，线粒体靶向纳米调节剂通过阻断钙内流及抑制天冬氨酸-精氨基琥珀酸穿梭，逆转这一炎症极化，恢复MMP与钙稳态。PINK1下调同样会损害MMP与钙稳态，导致ROS升高并抑制分化，表明钙-MMP耦联对质量控制至关重要。当线粒体稳态破坏导致严重细胞功能障碍时，细胞会发生程序性死亡：PINK1缺乏损害线粒体钙处理并升高成骨细胞ROS，破坏电子传递链并激活 caspase 依赖性凋亡，导致去卵巢小鼠成骨细胞凋亡增加与骨丢失；MMP去极化触发mPTP开放，引起基质肿胀与外膜破裂，释放细胞色素c；MMP丢失还可诱导铁死亡：烟草毒素诱导的骨质疏松模型中，mtROS积累通过NCOA4介导的铁蛋白降解升高游离铁，催化脂质过氧化与膜破坏。这些机制表明线粒体稳态对骨细胞存活与功能至关重要。

　　当膜电位去极化与钙超载超过修复能力时，线粒体质量控制系统被激活。通过融合-分裂动力学与线粒体自噬的协调，该系统维持细胞器的结构与功能完整性，在骨发育中响应代谢与氧化还原信号，平衡生物合成与降解，其失调会导致骨质疏松等代谢性骨病。线粒体动力学通过融合-分裂循环介导功能适应：融合（由MFN1/2与OPA1介导）促进网络整合与内容物交换以提升生物能量效率，分裂（由DRP1驱动）则分离受损区域以便清除，并通过调控嵴结构优化OXPHOS。跨膜蛋白135（TMEM135）通过钙/钙调磷酸酶（CALNA）促进DRP1去磷酸化，增强分裂以维持BMSCs成骨-成脂分化平衡；受体相互作用蛋白激酶4（RIPK4）以激酶依赖方式介导MFN2磷酸化与降解，破坏融合-分裂平衡导致片段化，这种重塑通过嵴调控促进成骨分化；营养可用性也调节这一平衡，葡萄糖与棕榈酸酯通过分裂依赖性嵴重塑增强OXPHOS效率，支持成骨细胞矿化；培养条件同样影响质量控制，三维培养通过促进线粒体网络伸长增强骨发育相关转录，提示工程化调控线粒体形态可优化骨类器官功能。当线粒体动态重塑无法修复损伤时，线粒体自噬被启动以清除受损线粒体，主要通过PINK1与Parkin通路：去极化时PINK1在线粒体外膜积累，磷酸化泛素并招募Parkin，通过结合LC3介导自噬体形成。在晚期氧化蛋白产物（AOPP）诱导的成骨细胞应激中，该通路清除功能失调线粒体，减少ROS过量产生与凋亡，缓解骨微结构损伤。SIRT3通过去乙酰化调控自噬流，保护BMSCs免受晚期糖基化终末产物（AGEs）诱导的衰老；细胞因子LRRc17通过抑制PI3K/mTOR增强自噬，调控干细胞线粒体动力学与衰老；BNIP3与NIX在缺氧或激素应激下作为非经典受体介导线抑制该过程以防止过度自噬，而沉默信息调节因子1（SIRT1）-FoxO3轴则在炎症损伤中促进该过程以清除功能失调线粒体。除融合功能外，MFN2还可作为线粒体自噬受体介导受损线粒体清除，维持破骨细胞与成骨细胞的稳态。

　　作为细胞内代谢网络的核心节点，线粒体与内质网（ER）、溶酶体及细胞核等功能相互作用。内质网通过线粒体-内质网接触（MERCs）与线粒体功能耦联，锚定蛋白如MFN2维持纳米级膜间距，介导Ca

　　转移、脂质交换与ROS信号传导，为成骨细胞矿化提供钙稳态与膜脂质，并参与线粒体动力学调控。溶酶体通过线粒体自噬清除受损线粒体以维持代谢平衡，并调控铁转运至线粒体以调节OXPHOS活性与破骨细胞分化。在核水平，TCA循环代谢物如α-酮戊二酸、乙酰辅酶A及NAD

　　进入细胞核作为表观遗传酶的辅因子，调控成骨与破骨基因表达。除细胞内代谢与信号作用外，线粒体日益被认为是细胞间通讯的介质。线粒体转移作为一种非细胞自主性质量控制机制，通过隧道纳米管、细胞外囊泡或间隙连接将健康线粒体从邻近细胞转移至受损细胞，恢复氧化还原稳态与代谢活性，防止凋亡或功能衰竭，与线粒体自噬、动力学及代谢重编程共同构成线粒体质量控制的完整网络。骨微环境中多种细胞参与线粒体转移：间充质干细胞（MSCs）作为供体，将健康线粒体转移至损伤的骨软骨细胞、肌腱细胞或巨噬细胞，逆转氧化损伤并恢复功能；巨噬细胞也可捐赠线粒体，在免疫调节三维水凝胶支架中，巨噬细胞将线粒体转移至骨髓MSCs，促进M2极化与成骨分化，加速体内骨折愈合；成骨谱系细胞与髓系细胞之间存在双向转移，成骨细胞以MIRO1依赖性方式将线粒体转移至骨髓单核细胞/巨噬细胞，通过抑制谷胱甘肽（GSH）代谢诱导铁死亡，从而抑制破骨细胞生成；此外，成骨细胞来源的线粒体封装于阳离子脂质体中可递送至MSCs，通过恢复线粒体功能引导成骨分化；应激状态下，受损细胞释放的ADP可触发线粒体转移以维持组织稳态。线粒体转移的失调会加重骨代谢紊乱，如牙周炎症中，炎性巨噬细胞将受损线粒体包装进微囊泡转移至BMSCs，通过OMA1介导的OPA1降解破坏线粒体动力学，抑制成骨分化并加重牙槽骨丢失。RIPK4通过MFN2磷酸化依赖性降解增强成骨分化，同时阻断线粒体转移以限制髓系造血，表明线粒体动力学与转移的协调决定细胞命运。综上，线粒体通过能量代谢、氧化还原平衡、膜电位维持、质量控制及细胞间尊龙凯时科技有限公司功能代偿，整合细胞内在状态与微环境外在信号，其内在需求可归纳为三个维度：适配特定细胞类型与分化阶段的能量代谢与氧化还原平衡、维持线粒体稳态与质量控制、实现异质性细胞群间的线粒体代谢偶联，这构成了骨细胞成熟的内在线粒体需求，为骨类器官成熟的代谢基础提供了明确方向。

　　骨相关系统中线粒体功能受工程化微环境的强烈影响。来自骨组织工程、再生医学、类器官芯片平台及疾病模型的证据表明，物理线索、金属离子、生物材料、生物活性物质及代谢调节剂可影响线粒体代谢、氧化还原平衡、钙信号、线粒体动力学、线粒体自噬及细胞适应性。尽管这些发现多源于骨相关细胞、生物材料系统及动物骨修复模型，在完全成熟的骨类器官中直接验证有限，但可为理解线粒体调控如何促进骨类器官成熟与代谢稳定提供机制与工程学参考。

　　物理微环境线索主要通过线粒体依赖性代谢适应调控骨相关细胞行为，多种刺激（力学、磁场、缺氧、生物电信号）汇聚于线粒体动力学、氧化磷酸化、ROS稳态、钙信号及线粒体质量控制，协调成骨分化与组织发育。

　　磁刺激主要通过线粒体代谢适应调控骨相关细胞行为，通过影响细胞内钙信号、膜电位及氧化还原平衡，调节线粒体生物能量学与成骨活性。磁刺激可增强线粒体氧化磷酸化、ATP生成及线粒体膜电位，同时降低细胞内与线粒体ROS水平。机制上，磁线索调控钙依赖性信号通路与线粒体动力学，提升代谢效率并促进成骨分化。此外，磁刺激可诱导巨噬细胞代谢重编程，从糖酵解主导的M1表型向依赖OXPHOS的M2表型转变，有助于构建抗炎成骨微环境。磁响应生物材料通过将磁刺激转化为动态力学与代谢信号进一步放大这些调控效应，在磁刺激下，通过激活Piezo1/YAP/β-连环蛋白等机械敏感通路促进成骨分化与血管生成活性，增强骨再生。磁刺激通过钙介导信号传导、免疫代谢重编程及机械-生物电耦联调控线粒体代谢适应，凸显了磁响应系统在工程化骨相关微环境中调控线粒体活性与成骨代谢的潜力。

　　基质刚度是通过线粒体依赖性机械转导调控骨相关细胞行为的关键因素。源自细胞外基质的力学线索调控细胞骨架张力、细胞内信号及线粒体代谢活性，进而影响成骨分化与组织发育。刚性微环境可增强线粒体OXPHOS、ATP生成及线粒体生物发生，同时维持细胞内氧化还原稳态。机制上，基质刚度激活YAP信号与细胞骨架相关力传递等机械敏感通路，进而调控线粒体动力学：高刚度促进线介导的分裂，改善线粒体形态、嵴完整性及代谢效率；同时抗氧化能力提升与ROS积累减少进一步支持成骨分化。相反，病理性高刚度可通过异常机械转导诱导线粒体功能障碍：过度机械应力通过内质网-线粒体串扰触发钙超载，导致mtROS积累、线粒体膜电位去极化、分裂相关蛋白（DRP1/Fis1）激活及融合相关蛋白（MFN1/OPA1）抑制，最终破坏线粒体动力学与细胞代谢稳态。基质刚度通过整合细胞骨架力传递、线粒体动力学及氧化还原适应，调控线粒体机械转导与代谢重塑，为设计刚度可调生物材料及代谢适应性骨相关微环境提供了重要的机械生物学见解。

　　微重力通过破坏线粒体代谢稳态深刻影响骨相关细胞功能。作为一种独特的机械卸载条件，微重力改变细胞骨架组织、细胞内力传递及线粒体生物能量学，最终损害成骨分化与骨组织维持。微重力抑制线粒体OXPHOS、ATP生成及线粒体生物发生，同时促进ROS过量积累与代谢功能障碍。机制上，微重力抑制SIRT1/PGC-1α信号轴，导致线粒体生物发生受损、线粒体动力学异常及呼吸能力下降，进一步破坏细胞氧化还原平衡与能量代谢，抑制成骨活性并加速微重力条件下的骨丢失。微重力诱导的线粒体功能障碍还与氧化应激失衡及线粒体结构损伤密切相关：微重力下过量mtROS积累诱导线粒体膜去极化、线粒体DNA损伤及线粒体质量控制受损，最终导致成骨功能障碍与细胞代谢失衡。为对抗这些有害效应，已开发出靶向线粒体抗氧化与代谢调节策略，通过清除过量ROS并改善线粒体功能，减轻氧化应激相关代谢功能障碍，部分恢复微重力下的成骨分化与骨再生能力。微重力通过损伤机械生物学信号、氧化应激积累及抑制线粒体生物发生，诱导线粒体退化与代谢失衡，为理解卸载条件下线粒体适应及开发废用性骨丢失相关病理骨模型提供了重要参考。

　　氧可用性是调控骨相关组织代谢与线粒体稳态的关键因素。在骨再生微环境中，血管化不足与氧扩散受限可导致代谢失衡、线粒体功能障碍及成骨缺陷。由于线粒体是氧利用、氧化还原调控及代谢适应的核心，缺氧应激不仅影响成骨分化，还影响骨样组织内的多细胞代谢协调。间歇性缺氧（IH）可破坏肌肉骨骼系统的线粒体代谢稳态与细胞间通讯：IH下调肌肉类器官中线，诱导线粒体结构损伤与代谢失衡，并通过NF-κB信号改变肌因子分泌，异常分泌的CXCL5随后抑制骨类器官成骨分化，促进破骨相关活性，伴随Runx2、Osx、Ocn及Opn表达降低；持续缺氧还诱导mtROS积累与线粒体DNA损伤，进一步损害成骨代谢稳定性。缺氧相关线粒体功能障碍与血管支持不足密切相关：骨损伤后血管断裂限制氧与营养递送，导致再生组织代谢应激。为解决这一问题，可注射释氧水凝胶通过持续释放氧气维持局部氧稳态，恢复线K/Akt相关成骨信号并促进血管生成。在骨类器官系统中，血管化是线粒体代谢调控的重要组成部分，内皮细胞与血管样网络可减少氧与营养梯度，减轻缺氧诱导的线粒体应激，支持成骨细胞代谢适应；发育良好的血管样结构还可促进代谢废物清除，维持氧化还原稳态，满足类器官长期培养需求。氧可用性通过线粒体代谢适应、缺氧应答信号及血管-代谢耦联调控骨相关组织重塑，血管样结构与内皮细胞不仅对氧与营养递送至关重要，也是维持发育中骨样组织内线粒体代谢稳定的功能基础。

　　超声-压电刺激通过线粒体依赖性机械转导与生物电信号调控骨相关细胞行为。超声响应系统产生的力学与电学线索调控细胞内钙信号、线粒体活性及细胞能量代谢，促进成骨分化与组织再生。超声-压电刺激可增强线粒体OXPHOS、ATP生成及线粒体膜电位，同时维持细胞内ROS稳态。机制上，超声诱导的生物电刺激激活钙依赖性信号通路与细胞骨架重塑，进而调控线粒体动力学与代谢活性，提升细胞生物能量效率并支持成骨谱系定向。此外，超声-压电刺激可调控骨微环境中的线粒体ROS信号与炎症代谢：适宜的生物电刺激将ROS维持在支持成骨的生理信号水平，而过度氧化应激则会破坏线粒体功能与细胞代谢平衡。超声响应系统与压电生物材料通过将外部机械刺激转化为局域生物电信号，恢复线粒体代谢稳态，提升ATP生成，促进成骨分化与骨再生。超声-压电刺激通过声-电转换、钙介导通路及氧化还原适应调控线粒体生物能量学与机械代谢信号，为调控骨相关再生系统中的线粒体代谢提供了重要的生物电工程学见解。

　　金属离子在骨代谢中发挥重要作用，其中铜、铁、铈、锶、硒具有相对明确的线粒体靶向调控特性，可调控氧化应激、线粒体自噬、铁死亡、线粒体氧化还原稳态及代谢微环境重塑等生物学过程，已广泛应用于生物活性支架、水凝胶及纳米颗粒等再生生物材料，参与成骨调控与线粒体代谢适应，在构建代谢活跃的骨组织工程系统中显示出转化潜力。

　　铜离子通过线粒体依赖性氧化应激与线粒体自噬通路调控成骨矿化。铜掺杂介孔生物活性玻璃纳米粒子（Cu-MBGNs）诱导谷胱甘肽耗竭介导的mtROS积累与MMP去极化，进而激活PINK1/Parkin信号通路与DRP1依赖性线粒体分裂。增强的线粒体片段化促进线粒体自噬激活，并加速酸性磷酸酶（ACP）从基质囊泡转运与胞外释放，从而加速胶原矿化。抑制DRP1介导的线粒体分裂可显著抑制线粒体自噬激活与矿物沉积，表明线粒体动力学是连接铜诱导氧化应激与生物矿化的关键调控节点。

　　铁稳态决定成骨过程中线粒体呼吸功能与铁死亡易感性。细胞内铁过量尊龙凯时科技有限公司积累促进mtROS过量产生与脂质过氧化，激活铁死亡，抑制成骨表型并损害基质矿化；而铁缺乏则降低线粒体呼吸链活性与ATP合成，损害成骨细胞增殖与代谢活性。铁平衡双驱动策略（IBDS）通过同时螯合线粒体内游离铁与促进铁蛋白合成，恢复吸烟相关骨缺损中的线粒体铁稳态，改善线粒体动力学，抑制mtROS积累，并阻断铁死亡相关代谢功能障碍，支持成骨代谢稳态维持。

　　铈离子主要通过线粒体抗氧化活性与氧化还原稳态维持调控成骨代谢。基于铈离子可逆的Ce

　　氧化还原循环能力，铈基系统可有效清除mtROS并稳定线粒体膜电位。持续释放铈离子可激活TCA循环与Wnt信号，同时抑制氧化应激相关的线粒体功能障碍；铈响应水凝胶系统通过调控mtROS与激活Wnt通路，促进成骨分化并抑制破骨细胞活性。铈介导的线粒体氧化还原调控是其骨保护作用的核心机制。

　　刺激BMSCs分泌富含miR-146a的外泌体，进而增强内皮细胞迁移、增殖及血管生成活性，在体内显著改善股骨缺损的血管化骨再生。锶介导的细胞间信号传导有助于重建有利于骨修复的再生微环境。

　　硒主要通过线粒体抗氧化调控与铁死亡抑制发挥骨保护作用。硒改性骨水泥可降低细胞内ROS积累，恢复线粒体膜电位与ATP生成，并上调骨质疏松骨髓间充质干细胞（BMMSCs）中线粒体呼吸链复合物表达，增强GPx1活性以改善线粒体抗氧化能力，促进成骨分化，加速骨质疏松骨修复。在炎症微环境中，硒还可通过螯合Fe

　　、清除mtROS、恢复线粒体膜电位及抑制mPTP过度开放，抑制铁死亡相关线粒体功能障碍；同时激活AMPK/GPX4通路抑制脂质过氧化，恢复成骨分化能力，减少炎症性骨丢失并促进牙周骨再生。金属离子的调控效应最终汇聚于线粒体依赖性代谢重塑，包括氧化还原缓冲、线粒体自噬激活、铁死亡调节及呼吸代谢维持，凸显了线粒体作为整合离子信号与成骨命运决定的核心代谢枢纽地位。离子基骨修复策略正从传统材料改性向线粒体靶向代谢调控演进，精准调控线粒体氧化还原稳态与生物能量活性有望成为提升骨类器官功能成熟与稳定性的重要策略。

　　生物活性物质通过靶向线粒体信号通路、能量代谢酶或氧化应激系统调控骨类器官线粒体功能，具有高特异性和安全性优势，是下一代骨类器官优化培养策略的核心手段。

　　多尺度仿生生物材料为调控骨相关再生系统中的线粒体代谢提供了重要工程策略。通过整合纳米制剂、水凝胶及3D打印结构，这些材料可构建动态调控能量代谢、线粒体活性及谱系特化的微环境，支持成骨与软骨组织形成。负载琥珀酸盐刺激的生物活性外泌体（Suc-EXO）的ATP含量是正常外泌体的5.42倍，且富含TCA循环相关代谢物，其通过结合膜P2X7受体激活P2X7-PI3K-AKT-mTOR通路，促进软骨分化相关基因表达，抑制基质降解酶，驱动BMSCs向软骨细胞分化，在兔软骨缺损模型中实现透明软骨再生，同时提升软骨下骨BV/TV与骨小梁厚度，实现软骨与骨的整合修复。生物能量活性支架（BAS）系统通过3D生物打印与序贯交联技术，将生物能量活性材料（BAM）与磷酸钙整合，构建出具有可调力学性能、可控降解性及线粒体靶向调控能力的仿生支架，其核心工程特征是通过降解依赖性释放琥珀酸盐，调控TCA循环活性，增强线粒体膜电位与ATP生成，支持成骨与软骨分化。该设计将结构支持与代谢调控相整合，代表了从传统被动支架向代谢指导性生物材料的转变。BAS平台的进一步优化已开发出梯度与力学适应性支架系统，可在复杂生理条件下促进骨软骨再生与骨缺损修复，为未来构建代谢功能性骨类器官系统提供了重要的概念与工程学基础。

　　天然生物活性成分主要通过线粒体质量控制与代谢重塑调控骨相关组织再生，不仅作为抗氧化剂，还协调氧化应激适应、线粒体自噬、线粒体生物发生及能量代谢，影响成骨与软骨分化。莪术醇通过KDM6B介导的表观遗传-代谢调控轴恢复软骨细胞代谢稳态，减轻软骨退变与软骨下骨丢失；异牡荆素通过SIRT3相关调控抑制过度自噬，在骨坏死相关模型中保护线粒体功能；白藜芦醇通过激活SIRT1/PGC-1α通路恢复OXPHOS效率与线粒体生物发生，逆转微重力下的成骨分化障碍；WW域包含卷曲螺旋适配蛋白（WAC）通过防止泛素介导的降解稳定PINK1，促进线粒体自噬激活，改善骨质疏松模型骨量。这些研究提示，线粒体代谢重编程与干细胞命运决定及组织再生能力密切相关，线粒体质量控制在未来骨类器官优化中具有重要地位。

　　代谢调节药物为调控骨相关再生系统中线粒体功能与代谢稳态提供了重要的药理学策略。经典骨相关药物如双膦酸盐与降钙素已被证实可直接作用于线粒体：双膦酸盐抑制破骨细胞线粒体ATP合酶，降低ATP生成并抑制骨吸收；降钙素通过cAMP-PKA信号促进成骨细胞线粒体膜电位与ATP合成，支持成骨活性。二甲双胍通过激活AMPK通路促进线粒体自噬与代谢重编程，在高血糖等病理代谢条件下恢复线粒体动力学并增强成骨分化；NAD

　　相关代谢调控是连接线粒体OXPHOS与成骨的关键机制，抑制NAMPT介导的NAD

　　前体NMN则可恢复线粒体功能并促进骨再生。纳米赋能药物递送系统进一步拓展了线粒体靶向代谢干预策略，如双膦酸盐与铈离子共工程多功能纳