科學(xué)家首次培養(yǎng)出完整三維類血管組織

體外再造人類組織器官一直是組織工程學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域，各國科學(xué)家均在盡力去實(shí)現(xiàn)體外各組織器官的革命性突破。這將給研究人員提供可靠的體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)而推動相關(guān)疾病的研究進(jìn)展。也為器官移植提供了可能，如果進(jìn)一步的研究成功將會挽救數(shù)以千萬患者的生命。

而此次實(shí)現(xiàn)重大突破的正是與人類常見疾病相關(guān)的血管系統(tǒng)，來自奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所（IMBA）的研究人員成功在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)出完整三維類血管組織，并且驗(yàn)證了其在糖尿病中的相關(guān)病理改變。

圖|論文在Nature上發(fā)表（來源：Nature）

這是人類首次從培養(yǎng)皿中培養(yǎng)出完整三維類血管組織！最新的研究進(jìn)展發(fā)表于 1 月 17 日的 Nature 雜志。

據(jù)估計(jì)，全世界約有 4.2 億人患有糖尿病。血管病變是常見的糖尿病并發(fā)癥之一，也是導(dǎo)致糖尿病病人死亡的主要原因之一。許多糖尿病并發(fā)癥是由于血管病變導(dǎo)致組織的血液循環(huán)和氧氣供應(yīng)受損。盡管糖尿病很普遍，但人們對糖尿病引起的血管變化卻知之甚少。

為了解決這個問題，該研究的資深作者，UBC 生命科學(xué)研究所所長，研究所創(chuàng)始主任 Josef Penninger 和他的同事開發(fā)了一個開創(chuàng)性的模型:在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)三維人體血管類器官，可以模仿真實(shí)人類血管的結(jié)構(gòu)和功能。Penninger 表示：“能夠?qū)⒏杉?xì)胞定向誘導(dǎo)成人體血管是一種可以改變游戲規(guī)則的方法?！?/p>

人體的所有細(xì)胞都來自于胚胎干細(xì)胞，遍布全身的血管也是由干細(xì)胞分化發(fā)育而來，而此次研究當(dāng)中研究人員使用的是經(jīng)過誘導(dǎo)的多功能干細(xì)胞（iPSC），但其本質(zhì)依然屬于干細(xì)胞范疇，只不過其多了逆向誘導(dǎo)的過程，即從體細(xì)胞誘導(dǎo)回干細(xì)胞的過程。

圖|血管內(nèi)有紅細(xì)胞 (紅細(xì)胞，E)，內(nèi)皮細(xì)胞形成內(nèi)膜 (內(nèi)層)，周細(xì)胞形成外膜 (外層)（來源：Robert M. Hunt/Wikipedia)

在此次研究中，研究人員首先在培養(yǎng)皿中對干細(xì)胞進(jìn)行了 2 維下的細(xì)胞分化誘導(dǎo)，將干細(xì)胞變成了血管上皮細(xì)胞，然后再對這些細(xì)胞進(jìn)行 3 維重建，使原本沒有結(jié)構(gòu)可言的 2 維細(xì)胞層形成具有類血管結(jié)構(gòu)的 3 維類血管組織。這些類血管包含內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞，及毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)。

圖|實(shí)驗(yàn)中的誘導(dǎo)過程及其每一步的誘導(dǎo)結(jié)果（來源：Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy）

隨后，研究人員又利用免疫熒光對其進(jìn)行了成分檢測，證明其內(nèi)在成分也是血管組織。這兩項(xiàng)檢測結(jié)果均顯示這些從培養(yǎng)皿中“長”出來的人體血管類器官確實(shí)與天然血管并無太大差異。

當(dāng)研究小組將這些類血管組織移植到小鼠體內(nèi)時，發(fā)現(xiàn)它們發(fā)育成功能完善的血管系統(tǒng)，包括毛細(xì)血管、靜脈和動脈。這表明，不僅可以在培養(yǎng)皿中定向誘導(dǎo)人類干細(xì)胞培育出人類血管類器官，甚至可以在動物模型中培育出人體血管系統(tǒng)。

圖|人體類血管器官在小鼠腎臟內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)（來源：Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy）

“我們的成果中最令人興奮之處在于，我們成功地用干細(xì)胞定向誘導(dǎo)出了真正的人類血管，”該研究的第一作者、IMBA 博士后研究員 Reiner Wimmer 說道?！拔覀兣囵B(yǎng)的血管類器官在很大程度上，甚至在分子水平上與人類毛細(xì)血管相似，我們現(xiàn)在可以利用它們直接研究人體組織上的血管疾病。”

“我們身體的每一個器官都與循環(huán)系統(tǒng)相連。這一成果有可能會幫助研究人員解開各種血管疾病的病因以及治療方法，例如阿爾茨海默病、心血管疾病、傷口愈合問題、中風(fēng)、癌癥，當(dāng)然還有糖尿病?！?/p>

糖尿病患者的一個特點(diǎn)是血管基底膜異常增厚，其結(jié)果是導(dǎo)致向細(xì)胞和組織輸送氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的能力受到嚴(yán)重?fù)p害，造成許多健康問題，如腎衰竭、心臟病、中風(fēng)、失明和外周動脈疾病，嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致截肢。

圖|暴露在“糖尿病”環(huán)境中，糖尿病患者血管及人體血管類器官的變化。兩種血管 (紅色) 周圍的基底膜 (綠色) 大量增大（來源：IMBA）

研究人員在培養(yǎng)皿中將血管類器官暴露在“糖尿病”環(huán)境中。“令人驚訝的是，我們可以觀察到血管類器官中基底膜也出現(xiàn)了大量異常擴(kuò)張的現(xiàn)象，”Wimmer 說。“這種典型的基底膜增厚與糖尿病患者的血管損傷非常相似?！?/p>

這意味著這種類血管組織不僅可以模擬正常的血管環(huán)境，還能根據(jù)不同的培養(yǎng)環(huán)境模擬不同疾病下異常的血管狀態(tài)。未來，研究人員就可以利用這一模型來研究不同疾病情況下血管的病理改變并依此開發(fā)相應(yīng)的治療手段。

圖|γ-分泌酶抑制劑的治療情況（來源：Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy）

緊接著，在對糖尿病血管的體外研究中，研究人員開始尋找能夠阻止血管壁增厚的化合物。他們發(fā)現(xiàn)目前的抗糖尿病藥物對血管基底膜增厚的情況并沒有起到任何效果。但他們發(fā)現(xiàn)體內(nèi)存在一種名為γ-分泌酶的膜內(nèi)蛋白水解酶，抑制其產(chǎn)生可以阻止血管壁的增厚。這表明，至少在動物模型中，阻斷γ-分泌酶可能有助于糖尿病的治療。

血管只是類器官發(fā)展的最新前沿?？茖W(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造了胃、肺甚至正在發(fā)育的大腦的微型模型。但真正令研究人員興奮的是，這些血管類器官可以讓他們確定一些血管疾病的潛在原因，并有希望為數(shù)億糖尿病患者開發(fā)和測試新藥物。