15.2.3　血管化类器官

类器官的血管化与其成熟度密切相关，是类器官研究中亟待解决的关键问题。血管网的形成可以维持足够的营养供应和氧气交换，有利于类器官的发育和功能成熟。但是，目前的类器官培养体系通常缺乏血管结构，不能真实地再现体内器官的发育和生理特点。多项研究表明PSCs衍生的类器官在发育过程中更像胎儿器官，很难达到类似成人组织器官的成熟度［2，47］。此外，PSCs衍生的类器官如大脑或肾脏等不能像ASCs衍生的类器官可以在培养过程中进行消化分割，随着类器官的体积不断增大，氧气和营养物质扩散到类器官中心区域受到限制，导致内部细胞容易发生凋亡或坏死。因此，在类器官模型中纳入有功能的血管系统对于类器官的成熟和发育都是必不可少的。

一种策略是将类器官与内皮细胞共培养进行类器官的预血管化，再移植进入动物体内，使宿主血管浸润到类器官中诱导血管网络成熟，构建血管化类器官。例如，Missy T.Pham等将同一供体来源的hiPSCs衍生脑类器官和血管内皮细胞进行共培养，并移植到免疫缺陷的小鼠脑内，发现移植后脑类器官内部形成人毛细血管，且血管化脑类器官展现出良好的活性［48］。类似地，Takanori Takebe等人将iPSCs衍生的肝前体细胞与血管内皮细胞和间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）混合培养，产生了血管化肝芽组织，当肝芽组织被移植到小鼠体内时，脉管系统与宿主循环系统相连，并进行血液灌注。结果显示该方法显著提高了肝组织的功能成熟度，并且还可用于急性肝衰竭的移植治疗［49］。另一种策略是通过优化类器官诱导分化条件实现类器官中内源性内皮细胞的共分化。Emily M.Holloway等发现肠类器官的形成早期存在大量的内源性血管内皮细胞，然而伴随定向诱导试剂的分化培养，内皮细胞数量逐渐减少。他们进一步通过优化肠类器官的培养方法，在培养体系中加入内皮相关促进因子EGF、VEGF、BFGF和BMP-4等，诱导内源性内皮细胞的共分化和功能维持，从而形成血管化的小肠类器官［50］。另外，多层血管网络的构建除了用内皮细胞、平滑肌细胞和间充质干细胞等几种细胞类型组装形成，也可以通过PSCs在3D条件下自组织形成血管类器官［51］。这种血管类器官可以用来与其他类器官融合组装形成具有功能血管网络的复杂类器官［52］，用于相关疾病研究。(https://www.daowen.com)

体内血液流动产生的剪切力能够调节内皮细胞功能，影响体内血管发生［53-55］。利用工程化的方法构建血管结构具有独特的技术优势。微流控芯片的微通道可进行可控的流体灌注模拟血管网络和血液流动，从而为血管化类器官的构建提供新的平台。例如，Kimberly A.Homan等利用可灌流的芯片装置培养PSCs来源的肾类器官，发现在肾类器官发育过程中，高流体剪切力可促进血管内皮细胞的产生，进而促进类器官的功能成熟和管腔结构形成［3］。在肾脏的形成过程中，持续血流会诱发可增殖内皮祖细胞的产生，并以剪切应力依赖的方式形成可灌注血管。这种反应伴随着更成熟的管状结构的产生。剪切应力还诱导肾小球腔室显著的血管化，增加足细胞足突的形成和成熟，这表明流动产生的微环境线索有助于体外肾脏类器官的结构和功能发育。这些结果提示流体剪切力作为体内组织血管结构形成的重要因素，可能激活了肾类器官中内源性的血管生成途径，从而促进血管化肾类器官的形态发生和成熟，这为血管化类器官的体外构建提供了新的思路［3］。Kangli Cui等建立了一种包含特定生长因子和细胞外基质的3D培养体系，通过诱导hiPSCs向滋养层细胞和血管内皮细胞进行多向分化，形成具有血管样结构的胎盘类器官，并且对肿瘤坏死因子α（TNF-α）和VEGF受体抑制剂的刺激产生响应，可模拟体内胎盘组织的生理、病理特征［56］。此外，微流控芯片还可以集成不同层级的血管网络，有望作为组织的3D血管支架用于血管化类器官的构建。