Science新发：肝脏类器官长出真实血管，破解“供血难题”！

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斯坦福大学破解类器官血管化难题，为“微型器官”接入生命线。

撰文 | 怡婷

在再生医学的宏伟蓝图中，类器官无疑是近年最闪耀的明星之一。这些在培养皿中诞生的“微型器官”，为我们研究疾病、筛选药物提供了前所未有的窗口。然而，一个根本性的瓶颈，如同一道无形的墙，始终阻碍着它们走向真正的应用——血管。

传统的类器官，就像一座座缺乏道路网的“孤城”，内部细胞因无法获取氧气和营养而凋亡坏死。这使得它们难以长大，更无法完全模拟真实器官的复杂功能。如何为这座“孤城”铺设一套功能完善的“生命线”，是整个领域科学家们梦寐以求的突破。

近日，一篇发表于顶刊

Science

模拟早期发育：从空间重塑到有序的拟胚体构建

传统构建血管化组织的方法，常需预先分别诱导各类细胞（如心肌细胞、内皮细胞等），再进行体外共培养或组装，难以重现器官发育过程中多细胞谱系间复杂的时空互作。

本研究的策略起点，是回归胚胎发育的初始阶段。研究人员运用“微模式（Micropatterning）”技术，将人类多能干细胞（hPSCs）培养于限定的二维几何空间内。这一物理约束能引导干细胞群发生自组织，形成模拟“原肠运动（Gastrulation）”的“拟胚体（Gastruloids）”。该结构具有清晰的胚层区域划分，为后续器官的有序分化预设了精确的空间蓝图，从根本上确保了多谱系细胞发育的协同性。

图1：通过微模式技术，hPSCs自组织形成具有清晰胚层结构的拟胚体，为器官的同步发育奠定基础

核心突破：生长因子组合策略实现多谱系同步分化

为实现血管网络与器官实质的同步发生，研究团队系统性地探索了促进血管生成的信号调控方案。他们构建了一个三重荧光报告细胞系（hESC-3R），其中，心肌细胞（CMs）、内皮细胞（ECs）和平滑肌细胞（SMCs）分别被标记上不同颜色的荧光蛋白。这使得在整个分化过程中，三类关键细胞的动态演变能够被实时、定量地追踪。

基于该报告系统，研究团队测试了包含34种不同组合的生长因子与小分子的培养方案。最终筛选出一种最优组合——“第32号培养条件”。该方案在分化的不同阶段，时序性地添加了包括CHIR、FGF2、IWR、VEGF、SB431542、血管生成素-1/2（ANG1/2）、PDGF-BB及TGF-β1在内的一系列信号分子。

当这套经过优化的诱导方案应用于拟胚体时，研究人员成功获得了心脏血管化类器官（cVOs）。在该类器官中，一个由内皮细胞组成的高度分支化的血管网络，与自发搏动的心肌细胞层及外周的平滑肌细胞实现了结构与空间上的高度整合。

心脏血管化类器官（cVO）的深度表征与功能验证

为评估所获cVO的生物学特性，研究团队进行了一系列深入的功能与结构分析：

1、结构与细胞组成的相似性：单细胞转录组测序（scRNA-seq）分析揭示，每个cVO包含15至17种不同的心脏细胞类型，这与一个6.5孕周人类胚胎心脏的16种细胞类型相当，表现出高度的细胞多样性（作为对比，成年心脏约有21种主要细胞类型）。

2、血管网络的功能完整性：高分辨率3D共聚焦显微成像证实，cVOs内部的血管形成了直径在4至40微米的中空管腔（Lumen）。为验证其功能，研究人员向培养体系中加入了荧光微球。活体成像显示，微球可进入血管分支，证明了其作为管道的输送潜力。此外，对血管内皮细胞的功能检测表明，其能够分泌一氧化氮（NO），这是血管功能成熟的重要生理指标之一。

3、信号通路的验证：研究发现，NOTCH和BMP信号通路对于cVOs中的血管形成至关重要。

通用性验证：同一策略成功构建肝脏血管化类器官（hVO）

该研究最重要的发现之一是其策略的通用性。研究团队将完全相同的血管诱导方案应用于hPSCs向肝脏谱系的分化过程中。结果同样获得了成功：一个带有复杂血管网络、并与肝实质细胞紧密整合的肝脏血管化类器官（hVOs）被成功构建。这一重要发现提示，不同内胚层和中胚层来源的器官，其血管网络的形成可能共享一套保守的、核心的发育调控程序。

这项研究在基础生物学和临床应用层面均具有重要意义。

• 构建更精准的疾病模型：利用该模型，研究人员通过药理学手段抑制NOTCH和BMP等关键信号通路，成功在体外再现了血管发育缺陷的表型。这为研究先天性心脏病等发育源性疾病的发病机制提供了更可靠的平台。

• 提升药物安全性评价的效能：该模型可用于评估药物对早期胚胎发育的潜在毒性。作为概念验证，研究团队发现，在cVO模型中暴露于阿片类药物芬太尼，会导致血管的异常增生，提示了其潜在的心血管系统致畸风险。这为开发高通量的、更具预测性的产前药物安全性评价体系开辟了新路径。

• 推动再生医学的应用：功能性血管网络的实现，是构建可供移植的功能性组织乃至器官的前提。这项技术为未来制备预血管化的组织工程产物（如心肌补片、肝脏单元等），并提高其移植后存活率与功能整合效率，迈出了关键一步。

总而言之，斯坦福大学的这项研究，通过模拟生命最初的蓝图，并辅以一套精妙的“鸡尾酒疗法”，成功为肝脏类器官装上了期待已久的“血管引擎”。我们有理由相信，一个类器官研究的全新时代已经来临，它必将为我们理解疾病、开发新药、最终实现组织再生，带来革命性的推动力。

参考文献：

[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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本文来源：医学界消化肝病频道

责任编辑：银子

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