2019 年初，一篇有关人类血管类器官首次建立的研究论文发表在 Nature 上。英属哥伦比亚大学生命科学研究所主任 Josef Penninger 团队在实验室成功培养出与人类血管结构、功能相似的血管类器官。彼时，该论文第一作者 Reiner Wimmer 表示，“此次工作最令人激动之处在于，我们成功用干细胞造出了真正的人类血管，它与人体血管的相似度甚至达到了分子级。”
血管类器官的成功构建，被认识将为糖尿病、心血管疾病、伤口愈合、中风、肿瘤等血管疾病提供体外研究模型，帮助人们找到血管疾病的内在根源。
图 | Josef Penninger 团队构建的血管类器官三维图像（来源：Science）
作为代谢活动的主要参与者，血管模型的构建具有十分重要的意义；另一方面，在类器官的构建过程中，血管化也是一个绕不开的话题。
“做类器官的血管化，一方面是为了解决类器官中的物质交换受限以及血管微环境匮乏的问题；另一方面，也是为了更好地研究器官特异的血管对于特定器官修复和再生的作用。” 北京大学基础医学院生理与病理生理系研究员、博士生导师王凯告诉生辉，构建动脉类器官是他所带领的实验室目前最主要的研究方向之一。
与其他类器官一样，王凯表示，构建动脉类器官的意义在于，“可以利用病人的 iPSC 诱导成特异的动脉类器官，模拟动脉粥样硬化、马凡综合征等疾病表型，进行药物筛选等。”
图 | 北京大学生理与病理生理系研究员、博士生导师王凯（来源：受访者提供）
血管类器官，是王凯近 10 年的生物医学生涯中主要的研究方向之一。2010 年，王凯在东南大学生物医学工程系完成本科阶段学习；2016 年在北京大学生物医学工程系获得博士学位，期间主要研究新型生物材料在胰岛细胞移植中的应用；接下来的 5 年，王凯在美国哈佛医学院 / 波士顿儿童医院心脏外科系做博士后研究，师从 Juan Melero-Martin 教授，主要研究编码 ETV2 转录因子的改性 mRNA 在干细胞分化成血管类器官的应用。
今年 8 月，王凯回到中国、回到北京大学任教。对于类器官的应用，他认为，“未来，类器官会是对于现有动物模型的一种很好的补充和完善，同时类器官也有望被移植到体内进行细胞治疗。”
近日，生辉与王凯博士对类器官研究的现状和未来发展趋势展开讨论，同时也对他的研究方向进一步了解。
iPSC 分化为内皮细胞，转化率提升至 90% 以上
临床上，动脉粥样硬化可诱发心肌梗塞、脑梗塞等疾病的增加，也已有多个实验证明，这些疾病的发展与血管细胞功能的异常密切相关。
对于血管疾病的治疗，可以通过干细胞分化为内皮细胞的方法，促进血管再生，改善血液供应，以治疗相关疾病。然而，人们对于血管疾病产生的根本原因还需要进一步探索，内皮细胞分化的效率以及一致性仍有待进一步优化。
以由 iPSC 分化为血管为例，血管发育过程可大致分为两个阶段：第一阶段，iPSC 分化为中胚层祖细胞，第二阶段中在血管内皮生长因子（VEGF）的作用下，中胚层祖细胞分化为内皮细胞。整个过程中，ETV2都是一个关键的转录因子，包括中胚层向成血管前体细胞特化、调控血液及血管发育、血管前体细胞发育，以及血管发育过程。作为先导转录因子，ETV2 可诱导血管细胞命运和管腔形态发生。
只不过，ETV2 在血管生成过程中表达，在建立原始毛细血管网络时关闭。这就导致，如果依赖于内源性 ETV2 的标准分化方法，生成内皮细胞的效率将较为低下，并且稳定性无法保证。
针对这一问题，王凯博士后研究期间所在团队开发了一种可以高效、稳定地生成具有功能性的人体内皮细胞，转化效率大于 90%，且这些培养而成的内皮细胞具有功能性。
具体而言，他们发现在诱导 iPSC 分化为血管的第二阶段中，ETV2 激活效率变低，是导致获得的内皮细胞不一致的主要原因。
对此，他们选择在利用 iPSC 分化为内皮细胞过程中，通过电穿孔转染方式加入经过化学合成修饰的信使 RNA（modRNA），激活 ETV2 在中胚层细胞向内皮细胞分化过程中的表达，调整 ETV2 表达时间，使 iPSC 迅速、稳定地分化为内皮细胞。论文中提到，modRNA 的作用下，ETV2 可以快速、瞬时、均匀地表达。
图 | iPSC 分化为内皮细胞（来源：Science Advances）
2020 年，该研究以标题为 “Robust differentiation of human pluripotent stem cells into endothelial cells via temporal modulation of ETV2 with modified mRNA” 的文章发表在Science Advances上，王凯为第一作者。
（来源：Science Advances）
据透露，王凯所带领的实验室目前正与医院合作将动脉类器官作为疾病模型进行药物筛选，观察某些药物对动脉瘤、动脉粥样硬化的治疗效果。
胰岛类器官移植治疗糖尿病
除上述提到的血管类器官外，胰岛类器官也是王凯实验室的主要研究方向。
前文提到，血管类器官的成功构建可以为糖尿病等血管发生病变的疾病提供探究根本原因的模型，另一方面，相应疾病的细胞治疗也能够以类器官的形式实现。
“其实类器官从外表看起来和一个细胞团没有太大差异，但是在细胞团里面是有各种微结构的，包括器官组成的各种细胞以及血管等，使得它与器官高度类似，可以用来进行药物筛选，也可以直接注射进行细胞治疗。”
“现在已有很多研究通过胰岛移植去替代胰岛素治疗糖尿病的方案，那么如果将干细胞分化为类似于胰岛的细胞团注射到患者体内治疗糖尿病，将这称为器官移植没问题，但是本质上来说还是细胞治疗。”
在与生辉交流过程中，王凯也进一步表示，“类器官确实有很多优势，但不能神化它”。对于其他器官而言，“用作器官移植，并不是类器官研究的初衷，而且类器官迷你的结构即使移植到患者体内也无法替代正常器官进行工作，而胰岛类器官的移植不存在这样的问题”。
他强调到，对于细胞治疗来说，通过 iPSC 分化获得目标细胞只是 “第一步”，如何大规模制造生产足量的细胞，如何纯化目标细胞，如何诱导细胞的成熟乃至后续的移植过程还有很多问题需要解决，包括移植位点、免疫排斥反应以及畸胎瘤等。
面对目前已有公司获得成功分化的胰岛细胞这一现状，王凯表示，“结果是令人振奋的，也是学术研究成果从论文走向临床转化的必经之路。但是细胞治疗的战线一般都会拉得很长，行百里半九十，要想真正转化为治病救人的良药依然需要科学界、产业界乃至政府决策者的团结协作，需要有十年磨一剑的耐心。”
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0858-8
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba7606
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