8.2.4 血管类器官的应用
血管的发生、发育以及病变直接影响器官的发育、功能和多种疾病的发生、发展和修复再生。但受限于研究体系，对人血管发生、发育、生理病理机制和对病变干预的精确机制的认识仍然有限。传统的二维细胞培养，包括分离的细胞以及分化的血管细胞，都难以反映组织微环境中细胞相互作用以及组织的整体变化，而动物模型虽然能反映生物体内关键的病理生理事件，但和人类的特征和调控存在差异。人血管类器官和血管化类器官能够更真实地反映和模拟其组织器官的发生、发育、结构和功能及体内真实的生理和病理环境、对药物的反应及机理，为现有的细胞系和动物模型提供重要补充，在血管发生发育、药物发现、疾病建模、精准医疗、再生医学等多个研究领域具有巨大的应用潜力。尽管其应用还处于早期开发阶段，但随着血管类器官构建策略、技术和方法的发展，它作为在体外建立人类血管和组织耦联的载体，在多个应用领域将发挥重要作用，不仅对血管疾病的预防、治疗和保健具有重要意义，而且对其他类器官的结构与功能成熟、活力维持和应用具有不可替代的作用。
1.人类血管早期发生发育模型
血管壁细胞和血管内皮细胞是人类血管的两类主要功能细胞。在胚胎发育期，血管细胞的特化受到激活的时空信号通路的紧密调控和与其他组织细胞交互作用的影响。hPSCs定向诱导分化自组装构建的血管类器官和血管化类器官为认识人类早期血管发生发育的调控提供了理想模型。在h PSCs诱导分化自组装第11～13天，可观察到心脏类器官中形成互相连接的内皮细胞和血管样网络［40］，所形成的单内皮细胞血管结构具有原生血管的特征［38］。Pablo Hofbauer等［39］在源于hPSCs诱导分化自组装构建的血管化类器官中发现低WNT和低ACTIVIN信号通过诱导心脏中胚层VEGF-A表达，有利于心肌细胞和内皮细胞同时特化，促进在心脏类器官中内皮细胞的自组装，并仅在心脏类器官内腔形成部分内衬，并证明心脏中胚层VEGF可刺激心肌细胞和内皮细胞的分层排列，揭示WNT/ACTIVIN与特定阶段的VEGF协调作用控制着心血管细胞的特化、心腔的形态和类似在体分化的心肌细胞和内皮细胞。进一步，利用此模型证明在没有心肌细胞的情况下，内皮细胞和COL1A＋细胞可以再现心脏类器官样的结构，因此该模型可用于解析心肌细胞和内皮细胞共同发育的调控。
2.血管病变模型
血管病变是发生在血管壁的一种病理过程，可影响所有重要组织/器官的止血和生理功能，也是引起包括心血管疾病在内的多种人类疾病的主要潜在原因之一。内皮功能障碍是血管疾病，包括动脉粥样硬化、高血压、糖尿病等的主要发病机制之一。人血管类器官为解析血管病变及导致的多器官病变机制提供了重要体系。
以糖尿病为例，其血管病变特征是基底膜的扩张和血管细胞的减少，内皮细胞功能损害，并干扰内皮-周细胞通信，但其机制远未阐明。Reiner Wimmer等［76］以体外构建的h PSCs衍生血管类器官作为糖尿病血管病变的模型，分化的内皮细胞和周细胞自组装成由基底膜包裹的三维毛细血管网络。组织学分析显示，在高水平葡萄糖和炎性细胞因子TNFα与IL6中培养的血管类器官的基底膜层明显增厚、Ⅳ型胶原沉积显著增加，周细胞和内皮细胞的细胞外基质含量增高，并伴随人类糖尿病标志性基因（angiopoietin、apelin和TNFRSF11B）的显著上调。将hiPSCs来源血管类器官移植到免疫缺陷的糖尿病小鼠体内，准确再现了糖尿病患者血管病变的关键病理事件。进一步利用CRISPR-Cas9构建DLL4和NOTCH3突变的hiPSCs衍生的血管类器官，发现DLL4和NOTCH3是导致人糖尿病血管病变的关键驱动因子。糖尿病引起的血管病变还会导致多个脏器的病变。因此，人血管类器官为研究糖尿病人体组织的并发症以及血管病变导致其他组织器官并发症的研究提供了新的体系。
3.药效和毒性研究模型(https://www.daowen.com)
心血管疾病是导致死亡的主要原因，亟须研发新型药物。此外，心血管药物毒性是进入市场的药物停药和进入临床试验最后阶段停止研究的常见原因。目前药物研发的临床前研究主要基于体内外的动物细胞和动物模型，所获得的数据虽然有重要的价值，但动物细胞和模型对药物的反应在作用、有效剂量和毒性剂量、药物代谢等方面和患者存在差异。因此，发展基于人源细胞的体外研究模型具有极其重要的意义和价值。随着人血管类器官和血管化的各种类器官的进一步发展，大量获取的健康人、患者及疾病特异的h PSCs源心血管细胞构建的类器官为高通量药物筛选提供了可能。人血管类器官和血管化的心脏类器官不仅可以用于预测人体药物的疗效和研究机制，而且也可用于心血管毒性及患者个体化的药物心血管不良反应及毒性剂量的研究，为药物研发提供极佳的替代模型。
利用人血管类器官和血管化类器官，可以检测药物或候选化合物对血管功能和细胞活力、血管屏障转运、活性物质分泌等的影响［86］。健康的血管类器官可用于促/抗血管生成因子的作用和机制研究。血管生成不足会破坏正常的血管稳态，从而导致缺血相关疾病（如心肌梗死、血管变性和神经变性等）；而不受调控的血管生成是肿瘤生长、转移的诱因；异常血管化也和炎症性疾病、动脉粥样硬化等息息相关。来自患者或基因编辑hiPSCs的疾病特异性血管类器官可为个性化治疗提供强大的药物筛选平台。如Reiner Wimmer等［76］利用构建的糖尿病血管类器官模型，在96孔板中高通量筛选验证干预该疾病的现有药物，发现γ-分泌酶抑制剂DAPT能显著抑制糖尿病血管类器官中Ⅳ型胶原沉积、恢复内皮细胞增殖；随后阻断Notch配体DLL4以及NOTCH3抑制血管基底膜增厚，验证DLL4和NOTCH3作为DAPT信号传导效应因子是糖尿病血管病变中常见的基底膜增厚的关键驱动因素。同样，人血管化的其他类器官也为研究药物对人不同组织器官的反应和机制提供了重要模型。如血管化的肿瘤类器官不仅可作为一个窗口观察肿瘤细胞的血管内渗［94］，还可用于化疗药物的筛选和预测抑制肿瘤生长和血管的作用与机制。此外，采用多个类器官结合的芯片（如人血管类器官、心脏类器官和肝脏类器官）可同时动态、实时研究多个器官组织之间的交互作用及药物作用与毒性［86］。
4.组织损伤修复
类器官为研究人类组织损伤修复和再生提供了新的体系，但在组织损伤修复和再生过程中，微环境发挥着重要作用。因此，血管化类器官对在体外模拟体内微环境、类器官的长期培养和功能维持至关重要。在组织损伤修复和再生过程中来自血液的多种细胞包括免疫细胞和活性因子在其中也起着重要作用，在现有的血管化类器官的基础上进一步发展可灌流的血管网络，并引入免疫细胞和活性因子，将有助于提升血管化类器官的研究价值。
工程化组织移植以替代损伤或丢失的组织在再生医学中具有重要价值。但目前仅有有限的工程化组织（如皮肤、软骨、膀胱）可用于临床，主要原因之一是用于替代复杂组织器官的工程化组织缺乏有效的血管网络，以提供氧和营养物质保持细胞的活力、组织的结构和功能，并且移植后能更好地与宿主的器官组织结构和功能进行整合。因此，构建血管化组织对发展复杂结构和适宜临床应用尺度的工程化组织用于体内的组织再生和修复是不可或缺的。
目前，将人血管类器官及血管化类器官治疗用于促进组织损伤修复和再生的研究还处于早期的探索阶段，移植后的血管类器官可在局部形成新血管用于恢复组织血液灌注，修复受损或阻塞的血管，但其有效性和长期安全性在人体的评价还受到局限，要应用于临床，还有一系列的问题需要解决，如人血管类器官的制备的生产质量管理规范等。但血管类器官和血管化类器官无疑为患者无法修复或丢失组织的替代修复提供了可能的新途径［75］。