Science重磅：华人团队破解类器官关键难题，培养出具有逼真血管网络的心脏和肝脏类器官

2009年，荷兰 Hubrecht 研究所的Hans Clevers等人使用来自小鼠肠道的成体干细胞培育出首个肠道类器官，开创了类器官研究时代。此后，类器官领域研究成果不断，许多新型类器官和更复杂的类器官不断涌现，大脑类器官用于研究神经发育障碍、肠道类器官用于模拟乳糜泻、肺类器官用于研究新冠病毒，甚至还有心脏类器官被送到国际空间站以测试微重力对心肌的影响，这些研究新药开发、精准治疗、再生医学等领域带来了更强大的工具。

然而，有一个问题一直困扰着类器官研究领域 类器官通常不到绿豆大小，与人体内的器官不同，类器官没有血管系统来为每个细胞输送氧气和营养物质，直径超过大约 3 毫米时，类器官就无法再通过直接从周围环境中吸收资源来维持自身，就会从内部开始细胞死亡。

近日，斯坦福大学医学院吴庆明（Joseph C. Wu）教授团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Gastruloids enable modeling of the earliest stages of human cardiac and hepatic vascularization的研究论文。

该研究开发了一种将人类多能干细胞（hPSC）培养为血管化心脏类器官和血管化肝脏类器官的方法，克服了类器官领域的重大瓶颈，不仅能够让类器官长得更大，还能使其达到更成熟阶段，从而使其作为生物模型更具实用性，不仅可用于研究心脏和肝脏发育，还可用于研究药物暴露对人体器官发育的影响

论文通讯作者吴庆明教授表示，未来，或许可以从患者自身的干细胞培育出血管化的心脏类器官，并通过外科手术植入心脏中，以替换受损或缺失的心肌组织。类器官有了有血管系统，就能与宿主的血管系统相连，这样植入后存活的机会就会更大。

人类多能干细胞（hPSC），包括人类胚胎干细胞（hESC）和人类诱导多能干细胞（hiPSC），能够分化为人体内的多种细胞类型，例如心肌细胞、肝细胞以及各类血管细胞。此外，hPSC 还可用于构建类器官，以模拟体内器官的关键结构和功能特征。

为了（i）避免类器官中心因缺氧而发生坏死；（ii）实现更大规模的类器官生长，以提高发育模型的准确性、疾病模型的可靠性以及新药发现的效率；（iii）提高作为再生疗法植入的类器官的存活率，科学家们已经探索了多种构建具有血管系统的类器官的方法。然而，将类器官中的关键细胞类型与包含稳健分支、层级组织和管腔形成的全新血管系统共同分化，这一目标尚未完全实现。

在这项最新研究中，研究团队尝试优化培养配方，以培育出能够可靠生成几乎所有人类心脏细胞类型的心脏类器官，包括形成强大血管网络的细胞。研究团队回顾了已有的制造三种关键细胞类型（心肌细胞、内皮细胞和平滑肌细胞）的方法，他们将这些方法组合成 34 种不同的培养配方，包括使用哪些生长因子、使用量以及添加时间，用于制造包含这三种细胞类型的心脏类器官。他们还对干细胞进行了改造，使其在分化为这三种细胞类型时发出不同颜色的荧光。

他们在干细胞上测试这 34 种不同的培养配方，并让这些类器官生长约两周时间，其中一种配方 第 32 号培养条件 脱颖而出，它培育出了最鲜艳的心脏类器官 分别对应着最多的心肌细胞（CM）、内皮细胞（EC）和平滑肌细胞（SMC）。

第 32 号培养条件培养心脏类器官（包含以下小分子和生长因子）：CHIR：5 M（第 0 天）；FGF2：5 ng/ml（第 0、7、9、11、13、15 天）；IWR：5 M（第 3 天）；VEGF：50 ng/ml（第 5、7、9、11、13、15 天）；SB：10 M（第 7、9、11 天）；ANG2：50 ng/ml（第 5、7 天）；ANG1：50 ng/ml（第 9、11 天）；PDGF-BB：10 ng/ml（第 7、9、11、13、15 天）；TGF- 1：2 ng/ml（第 13、15 天）。

在 3D 显微镜下，这种甜甜圈形状的血管化心脏类器官（cVO）内部由心肌细胞和平滑肌细胞构成，外部则有一层内皮细胞，形成了清晰可辨的血管。这些微小的分支状管状血管类似于心脏中的毛细血管，其直径为 10-100 微米，大约相当于一根头发丝的宽度。

培养两周时间的心脏类器官，心肌细胞（绿色）和平滑肌细胞（白色）被内皮细胞（洋红色）所环绕，这些内皮细胞形成了一个逼真的血管网络

研究团队利用单细胞 RNA 测序技术对心脏类器官中的细胞进行了进一步分析，他们惊讶地发现，其几乎涵盖了心脏的所有细胞类型，每个心脏类器官包含 15-17 种不同的细胞类型，这与六周大的人类胚胎心脏中的 16 种细胞类型相当，相比之下，成年心脏则有 21 种细胞类型。

这意味着，这些心脏类器官能够用于人类早期发育阶段的研究模型，作为概念验证，它们在这些血管化心脏类器官中测试了一种强效且常被滥用的阿片类药物，结果显示，接触该药物后类器官生成了更多的血管。

研究团队进一步发现，NOTCH信号通路和BMP信号通路是血管化心脏类器官（cVO）中血管形成所必需的，与 NOTCH 相比，抑制 BMP 对血管形成的影响更大。

更重要的是，研究团队证实，不同器官系统内的血管生成涉及一个保守的发育程序。因此，这种血管化策略还可用于培育其他血管类器官，他们成功培育出了血管化肝脏类器官（hVO），其包含了空间有序、分支丰富、管腔化的血管网络，并整合了多谱系肝脏细胞类型。

吴庆明教授表示，研究团队计划将让这些血管化类器官发育更长时间，以观察它们能长到多大、成熟到何种程度，还计划进一步优化血管化培育配方，在类器官中生成更多类型的细胞，例如免疫细胞和血细胞，使其更接近成年人心脏的构成，从而更好地模拟成年人的疾病。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9375

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