Cell Stem Cell | 李广课题组构建人源心脏瓣膜的类器官组装体模型

心脏瓣膜作为维持血液单向流动的关键结构，其功能障碍可引发瓣膜性心脏病（Valvular Heart Diseases,VHDs），进而导致心律失常、心力衰竭等一系列严重心血管疾病，成为全球日益严峻的健康挑战。目前，临床治疗主要依赖外科修复或瓣膜置换手术，但这些干预措施风险高且存在长期并发症，例如机械瓣膜的血栓风险或生物瓣膜的结构退化。缺乏有效的药物治疗方案，凸显了深入理解瓣膜生物学并开发能精确模拟人体瓣膜系统的体外实验平台的紧迫性。

202 6年8月11日 ，美国匹兹堡大学医学院（University of Pittsburgh ， School of Medicine）的Guang Li(李广)课题组[论文的第一作者为Yuanhang He（何远航）] 在Cell Stem Cell中， 发表了题为Human iPSC-derived heart valve-like assembloids model valve development and disease pathology的研究论文 。该研究首次在体外成功构建了人源3D心脏瓣膜样类器官组装体（assembloid）发育平台，成功模拟了体内瓣膜发育关键节点的相关特征，并揭示了机械力、内皮细胞培养条件和流体剪切力分别在瓣膜诱导、维持和细胞外基质分层中的重要作用。此外，研究团队还利用该系统模拟了由基因突变、 后天获得性损伤 引起的人类瓣膜 病理改变 ，为体外研究人类瓣膜发育和疾病机制提供了宝贵工具。

突破现有模型局限，构建人源瓣膜 样 类 器官 组装体

心脏瓣膜主要由瓣膜内皮细胞（Valve Endothelial Cells, VECs）和瓣膜间质细胞（Valve Interstitial Cells, VICs）构成。现有的实验系统，如小鼠和斑马鱼等动物模型，虽能部分重现人类病理状况，但在忠实模拟人类瓣膜病理方面存在局限。而传统的人iPSC衍生VICs二维培养体系，也无法充分再现人类心脏瓣膜的三维 结构 。 与此同时， 现有的心脏类器官模型普遍 聚焦于心肌表现，而 缺乏 对于 瓣膜结构 的关注 。

为突破这些瓶颈，研究团队首先通过顺序调控WNT信号通路生成心脏类器官，并添加VEGFA诱导心内膜内皮细胞（Endocardial Endothelial Cells, EndoECs）谱系。随后，他们将来自不同iPSC细胞系（WTC和SCVI111）的两个类器官融合，形成“组装体”（assembloids）。 在这个组装体系统中， WTC细胞系 主要用于分化心肌细胞以提供机械搏动 ，而SCVI111细胞系则 用于分化 内皮细胞 ，并令其 经历内皮-间质转化（EndoMT）过程。

研究团队 在观察到心内膜结构形成后，将 BMP2 加入到培养体系中 以诱导EndoMT 并生成瓣膜间质细胞（Valve interstitial cell, VICs） 。 在BMP2处理后， 组装体表面成功形成了瓣膜样结构。 免疫荧光 染色和单细胞mRNA测序（scRNA-seq）分析证实，这些结构由表面的EndoECs和内部的 VICs 组成，其细胞 空间排布 和转录组特征与胎儿心脏瓣膜高度相似。

揭示 瓣膜 不同 发育 阶段 的关键调控者

研究 团队 进一步探索了瓣膜样结构形成的调控机制。 研究团队首先观察到瓣膜形成期间外层内皮细胞存在明显的钙离子内流现象。 通过 进一步 引入磁珠施加局部机械刺激， 机械力被发现 是诱导瓣膜样结构形成的关键驱动力。使用肌球蛋白ATP酶抑制剂Blebbistatin抑制心脏类 器官 搏动会减少瓣膜样结构的形成，而磁珠的介入则可以部分挽救这一缺陷。 后续的 机制研究表明，ATP-P2受体 -钙离子轴 和TRP通道等机械力 响应 下游通路在瓣膜样结构诱导 和形态发生 中发挥 着 重要作用 ，也为进一步控制类器官组装体瓣膜形成提供了途径 。

在瓣膜样结构的维持方面，研究发现内皮细胞 的完整性 至关重要。在常规培养条件下，瓣膜样结构会逐渐消失，而补充内皮细胞生长培养基EGM2则能有效维持其数量超过30天。此外， 参考已报道的瓣膜发育过程，并经过一系列生长因子筛选，研究团队发现 VEGFA处理能促进瓣膜样结构伸长变薄，使其形态更接近体内瓣膜。

为了 进一步促进瓣膜样结构的发育，研究团队认为血流带来的流体剪切力在这个过程中将发挥重要作用。为了 模拟血流产生的流体剪切力，研究团队设计了一个微流控芯片系统。实验发现，在约12 dyne/cm²的剪切力作用下，瓣膜样结构中的胶原蛋白（ collagen ）和弹性蛋白（ elastin ）会分布到相对的两侧， 并在更长时间的处理中观察到了蛋白聚糖（proteoglycan）的出现， 成功再现了体内瓣膜 发育后期 细胞外基质（ECM）的分层模式。

病毒谱系示踪与单细胞测序揭示发育轨迹

为了追踪VICs的谱系来源，研究团队利用一种内皮细胞特异性的AAV病毒（BI30 -Cre ）感染携带LoxP-STOP-LoxP-TurboGFP报告基因的iPSCs。结果显示，第11天时GFP信号特异性地标记了表面的内皮细胞。到第22天，GFP阳性细胞出现在瓣膜样结构内部并表达VICs标志物SNAI1。这直接证明了表面 EndoECs 通过EndoMT过程转化为VICs，模拟了体内的发育过程。

通过在不同发育阶段（第8、11、14、26和33天）进行scRNA-seq分析，研究团队描绘了瓣膜细胞的分子变化轨迹。EndoECs和VICs在不同阶段呈现出独特的基因表达谱。例如，第11天的细胞高度富集于心脏瓣膜形态发生等通路，而第26天的细胞则更多参与胶原生物合成和弹性纤维组装等成熟过程。 单细胞测序捕获到的部分基因表达变化信息通过RNA SCOPE染色进行了进一步验证。研究团队还通过Random Forest prediction，借助已经发表的人胚胎期瓣膜单细胞测序数据，进一步确定了该篇文章报道的瓣膜类器官组装体和体内心脏瓣膜细胞的相似性。

模拟多种瓣膜疾病，展现广阔应用前景

该瓣膜样类组装体平台在疾病建模方面展现出巨大潜力。

研究团队利用CRISPR/Cas9技术 模拟了 遗传性瓣膜缺陷，构建了与血管性埃勒斯-当洛综合征（vascular Ehlers-Danlos Syndrome, vEDS）相关的COL3A1基因突变和与二尖瓣脱垂（ Mitral valve prolapse, MVP）相关的DCHS1基因突变的iPSC 细胞 系。COL3A1 和DCHS1 纯合突变体无法形成瓣膜样结构，而DCHS1杂合突变体则形成了数量更多但长度更短的瓣膜样结构，这与小鼠模型中的发现一致。进一步研究表明， DCHS1突变通过细胞极性（Planar cell polarity, PCP）相关通路影响瓣膜样结构的发育，而通过WNT和YAP来调控相关通路 可以挽救DCHS1杂合突变体的瓣膜缺陷。

研究团队还利用瓣膜样类器官组装体平台，模拟了与直接机械损伤，糖尿病，以及瓣膜钙化相关的获得性瓣膜损伤。 通过冷冻探针造成瓣膜样结构损伤，研究发现损伤会激活钙信号、增加细胞死亡， 以及由此而来的炎症反应和损伤修复。 钙化关键调控因子RUNX2及其下游靶点骨桥蛋白（OPN）的表达 也在损伤后的瓣膜样结构中被观察到 上调， 并 最终导致明显的钙化沉积。

在 模拟糖尿病患者的高血糖环境（10mM和20mM葡萄糖处理） 模型中 ， 研究团队 同样观察到瓣膜样结构中RUNX2和OPN表达增加以及钙化加剧，表明高血糖可直接促进瓣膜钙化。

而 使用成骨诱导培养基处理 的瓣膜样类器官组装体中 ，瓣膜样结构的钙化 也被成功而稳定的诱导，显示了该平台作为研究心脏瓣膜钙化模型的应用前景 。

该研究开发的人iPSC衍生瓣膜样类器官组装体，通过整合机械力诱导、流体剪切力模拟、病毒谱系示踪和疾病建模，为在体外研究人类瓣膜发育和疾病提供了一个有前景的平台和系统性框架。尽管该模型尚不能模拟瓣膜调控单向血流的功能，但它为深入理解瓣膜生物学、探索疾病机制和筛选潜在药物开辟了新的道路。

清华大学医学实验班2019级博士生Yuanhang He（何远航）为论文第一作者，匹兹堡大学医学院Guang Li （associate professor）为论文通讯作者。Guang Li课题组技术员Haoting He、博士生Junqi Hu（胡峻淇）、科研助理Macy Yost，以及Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学） Si-yang Zheng（professor）团队、匹兹堡大学医学院Lance A.Davidson（professor）团队、匹兹堡大学Swanson School of Engineering Daniel Lamont（assistant professor）参与了该研究。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00271-7

制版人： 十一

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