循环系统类器官——血管
血管
血管是人体中血液的通道，众多疾病的发生都与血管变化息息相关。在人体中血管系统是复杂的，负责维持组织的氧气和营养供应、清除废物或传递免疫细胞，先于大多数其他器官的发育。
成熟血管可以分为毛细血管系统、静脉系统和动脉系统。同一类型细胞之间在转录和功能水平上存在异质性。内皮细胞（endothelial cells，ECs）形成所有血管的最内层，由于功能多种多样，不同组织之间的ECs具有巨大的差异。血管直径的结构完整性和修饰由壁细胞控制，即周细胞和血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）。
人体血管结构
血管类器官构建
对血管系统进行建模的最简单方法是将人类血管细胞培养为单层，并检查由遗传影响或暴露于感兴趣的化合物引起的表型或分子变化，但缺乏在体内观察到的三维环境和组织组成。近年来，类器官的应用在这一领域得到了极大扩展。在血管系统的背景下，复杂三维模型有两个关注点：其一，对于发育和疾病，模拟和观察人体血管细胞与其环境相互作用的能力是必不可少的；其二，大多数类器官培养方案的一个主要缺点是静态培养条件。
Wimmer RA等人2019年制定了第一个真正的人类血管类器官（BVO）衍生方案，该方案基于多种血管细胞类型从共同的中胚层祖细胞池分化以及这些血管细胞在发育过程中的内在自组织。干细胞最初聚集成胚状体，随后通过Wnt刺激和BMP-4（骨形态发生蛋白4）被推进到中胚层谱系。通过补充VEGF-A和forskolin，壁细胞和内皮细胞都可以从一个共同的中胚层祖细胞分化出来[1，2]。
血管类器官培养流程[1]
血管类器官应用
最近有研究表明，血管类器官被用来说明糖酵解在内皮细胞中的重要性以及对血管系统对代谢变化的影响ECs中的糖酵解主要受PFKFB3酶和基因消融以及小鼠血管发芽和血管形成改变的药物靶向调控。作者表明，在类器官中药物抑制PFKFB3后，观察到EC增殖明显减少，而周细胞未受影响。此外，作者报告了治疗24小时后血管密度、长度和直径的减少，表明内皮细胞糖酵解抑制后血管重构强烈[3]。
BVO切片的免疫荧光共聚焦成像[3]
类血管器官具有用于疾病研究的潜力。但由于个体细胞类型的发育过程及其结构背景还没有准确地研究说明，因此疾病模型的建立过程十分艰难。Nikolova MT等人通过对不同发育阶段的BVO进行全面的单细胞转录组学分析解决了这一问题。在血管谱系诱导后，PDGFR β+周细胞在第3天就已经被检测到，而CD31+内皮细胞在第4天出现，这表明周细胞的发育似乎先于内皮细胞的成熟[4]。最近的一项研究报道了人类动脉和静脉特异性内皮细胞的生成方案，并说明了相互冲突的规范途径[5]。
BVO单细胞转录组学分析[4]
毛细管类器官的一个缺点是无法在体外产生更大的血管。当前的BVOs分化培养需要使用基质胶，但其成分存在差异。为解决这个问题，Schmidt S等人提出一种不使用基质胶的BVOs方案。通过在96孔板中使用锥形琼脂糖涂层来聚集诱导性多能干细胞和随后的类器官培养，并用CHIR99021和BMP4进行为期3天的治疗以诱导中胚层。通过单剂量100 ng/mL VEGF处理48 h后诱导血管，之后类器官永久维持在N2B27培养基中。这种替代培养方案直接影响类器官的形态。该研究表明，在不使用高度可变的基质和长期受促血管生成因子影响的情况下，可以在类器官中实现三维血管结构，利用细胞在给定正确组织背景下的内在自组织能力[6]。
血管类器官分化流程[6]
除了转录差异外，不同器官的血管系统通常高度适应于执行特定功能和细胞组织。如ECs基于渗透性差异在不同器官中的排列。脑ECs通透性受限，因为它们的紧密连接有助于血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）。在肾脏中，存在带有开孔的内皮结构，可以允许更大的分子通过，对肾小球滤过具有重要意义。在肝脏、脾脏和骨髓中发现与多孔基底膜相关的不连续内皮层等。
参考文献
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