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斯坦福大學破解類器官血管化難題，為“微型器官”接入生命線。

撰文 | 怡婷

在再生醫學的宏偉藍圖中，類器官無疑是近年最閃耀的明星之一。這些在培養皿中誕生的“微型器官”，為我們研究疾病、篩選藥物提供了前所未有的窗口。然而，一個根本性的瓶頸，如同一道無形的墻，始終阻礙著它們走向真正的應用——血管。

傳統的類器官，就像一座座缺乏道路網的“孤城”，內部細胞因無法獲取氧氣和營養而凋亡壞死。這使得它們難以長大，更無法完全模擬真實器官的復雜功能。如何為這座“孤城”鋪設一套功能完善的“生命線”，是整個領域科學家們夢寐以求的突破。

近日，一篇發表于頂刊

Science

模擬早期發育：從空間重塑到有序的擬胚體構建

傳統構建血管化組織的方法，常需預先分別誘導各類細胞（如心肌細胞、內皮細胞等），再進行體外共培養或組裝，難以重現器官發育過程中多細胞譜系間復雜的時空互作。

本研究的策略起點，是回歸胚胎發育的初始階段。研究人員運用“微模式（Micropatterning）”技術，將人類多能干細胞（hPSCs）培養于限定的二維幾何空間內。這一物理約束能引導干細胞群發生自組織，形成模擬“原腸運動（Gastrulation）”的“擬胚體（Gastruloids）”。該結構具有清晰的胚層區域劃分，為后續器官的有序分化預設了精確的空間藍圖，從根本上確保了多譜系細胞發育的協同性。

圖1：通過微模式技術，hPSCs自組織形成具有清晰胚層結構的擬胚體，為器官的同步發育奠定基礎

核心突破：生長因子組合策略實現多譜系同步分化

為實現血管網絡與器官實質的同步發生，研究團隊系統性地探索了促進血管生成的信號調控方案。他們構建了一個三重熒光報告細胞系（hESC-3R），其中，心肌細胞（CMs）、內皮細胞（ECs）和平滑肌細胞（SMCs）分別被標記上不同顏色的熒光蛋白。這使得在整個分化過程中，三類關鍵細胞的動態演變能夠被實時、定量地追蹤。

基于該報告系統，研究團隊測試了包含34種不同組合的生長因子與小分子的培養方案。最終篩選出一種最優組合——“第32號培養條件”。該方案在分化的不同階段，時序性地添加了包括CHIR、FGF2、IWR、VEGF、SB431542、血管生成素-1/2（ANG1/2）、PDGF-BB及TGF-β1在內的一系列信號分子。

當這套經過優化的誘導方案應用于擬胚體時，研究人員成功獲得了心臟血管化類器官（cVOs）。在該類器官中，一個由內皮細胞組成的高度分支化的血管網絡，與自發搏動的心肌細胞層及外周的平滑肌細胞實現了結構與空間上的高度整合。

心臟血管化類器官（cVO）的深度表征與功能驗證

為評估所獲cVO的生物學特性，研究團隊進行了一系列深入的功能與結構分析：

1、結構與細胞組成的相似性：單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）分析揭示，每個cVO包含15至17種不同的心臟細胞類型，這與一個6.5孕周人類胚胎心臟的16種細胞類型相當，表現出高度的細胞多樣性（作為對比，成年心臟約有21種主要細胞類型）。

2、血管網絡的功能完整性：高分辨率3D共聚焦顯微成像證實，cVOs內部的血管形成了直徑在4至40微米的中空管腔（Lumen）。為驗證其功能，研究人員向培養體系中加入了熒光微球。活體成像顯示，微球可進入血管分支，證明了其作為管道的輸送潛力。此外，對血管內皮細胞的功能檢測表明，其能夠分泌一氧化氮（NO），這是血管功能成熟的重要生理指標之一。

3、信號通路的驗證：研究發現，NOTCH和BMP信號通路對于cVOs中的血管形成至關重要。

通用性驗證：同一策略成功構建肝臟血管化類器官（hVO）

該研究最重要的發現之一是其策略的通用性。研究團隊將完全相同的血管誘導方案應用于hPSCs向肝臟譜系的分化過程中。結果同樣獲得了成功：一個帶有復雜血管網絡、并與肝實質細胞緊密整合的肝臟血管化類器官（hVOs）被成功構建。這一重要發現提示，不同內胚層和中胚層來源的器官，其血管網絡的形成可能共享一套保守的、核心的發育調控程序。

這項研究在基礎生物學和臨床應用層面均具有重要意義。

• 構建更精準的疾病模型：利用該模型，研究人員通過藥理學手段抑制NOTCH和BMP等關鍵信號通路，成功在體外再現了血管發育缺陷的表型。這為研究先天性心臟病等發育源性疾病的發病機制提供了更可靠的平臺。

• 提升藥物安全性評價的效能：該模型可用于評估藥物對早期胚胎發育的潛在毒性。作為概念驗證，研究團隊發現，在cVO模型中暴露于阿片類藥物芬太尼，會導致血管的異常增生，提示了其潛在的心血管系統致畸風險。這為開發高通量的、更具預測性的產前藥物安全性評價體系開辟了新路徑。

• 推動再生醫學的應用：功能性血管網絡的實現，是構建可供移植的功能性組織乃至器官的前提。這項技術為未來制備預血管化的組織工程產物（如心肌補片、肝臟單元等），并提高其移植后存活率與功能整合效率，邁出了關鍵一步。

總而言之，斯坦福大學的這項研究，通過模擬生命最初的藍圖，并輔以一套精妙的“雞尾酒療法”，成功為肝臟類器官裝上了期待已久的“血管引擎”。我們有理由相信，一個類器官研究的全新時代已經來臨，它必將為我們理解疾病、開發新藥、最終實現組織再生，帶來革命性的推動力。

參考文獻：

[1] Abilez OJ, Yang H, Guan Y, et al. Gastruloids enable modeling of the earliest stages of human cardiac and hepatic vascularization. Science . 2025;388(6751):eadu9375.

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本文來源：醫學界消化肝病頻道

責任編輯：銀子

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