16.3.2　类器官与血管系统

在组织器官的发育存活、发挥生理功能和再生过程中，血管作为其重要的微环境是不可或缺的。体外培养的类器官由于缺乏有效的血管，随着类器官体积的增加，缺氧及代谢废物累积导致细胞凋亡，最终致使组织坏死，因此目前培养的类器官无论是形态大小还是生理功能都无法做到完全模拟真实的组织器官。因此，构建功能性血管浸润的类器官将为类器官培养体系注入极大的活力。目前，类器官的血管化一直是类器官研究领域的热点与挑战。

为了更好地研究和探索血管生成信号对正常组织和肿瘤来源类器官的影响，科学家们围绕在类器官系统中重建血管做出了很多努力和工作。将类器官植入高度血管化的组织器官是一种常用的类器官血管化的方法［19］。把类器官移植到血管丰富的动物组织后，宿主的血管会侵入类器官，建立宿主组织与移植类器官的联系。Abed Mansour等人就人源脑类器官移植到成体小鼠脑组织中，可以观察到宿主血管广泛浸润到类器官上［20］。除此之外，为了培养血管化的脑类器官，Yingchao Shi与合作者将hESCs与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）共培养，定向诱导其分化为血管化的脑类器官［21］。免疫荧光染色结果表明，HUVECs在脑类器官中相互连接，并形成具有通透能力的复杂血管系统，该血管系统可以在脑类器官中可稳定存在200天以上。研究者将血管化脑类器官植入免疫缺陷小鼠脑内S1皮质空洞中，免疫荧光检测结果显示在脑类器官移植物中HUVECs与宿主小鼠血管内皮细胞发生了整合，并在脑类器官中形成了有血液流动的功能性血管网络系统，支持其成熟存活，体现了类器官血管化的生理学功能，为进一步体外重塑脑类器官生理学功能奠定基础。同样地，在肝癌类器官与细胞内皮细胞共培养时，可以成功检测到新血管生成的标志物［22］。当乳腺癌类器官与血管网络共培养时，血管化的类器官可以长时间显示明显的血管生成反应［23］。Jian Hui Low与合作者通过动态调节WNT信号通路，控制近端肾小球和远端肾小管的比例，调节近端足细胞释放血管内皮生长因子A（VEGF A）的水平，进而诱导血管化的肾脏类器官分化形成［24］。免疫荧光检测结果明确了肾脏发育的起始阶段存在内源性血管内皮祖细胞，血管内皮祖细胞的发育依赖于足细胞分泌的VEGF-A，并且VEGF A的分泌量决定了血管网络的丰度。血管化的肾脏类器官移植入宿主小鼠后，继续发育成肾小球毛细血管簇，右旋糖酐灌注实验结果显示与野生型小鼠肾脏类似，移植的肾脏类器官具有初步的过滤和重吸收功能。Grant Rowe与George Daley利用3D反应器（3D bioreactor）［25］，以及异种移植形成类器官——动物嵌合体等技术促进类器官形成血管网络［26］。Dan Dongeun Huh与合作者创建了一个先进的肠道类器官血管化模型，实现了与内皮细胞、成纤维细胞和免疫细胞的共培养，可体外模拟IBD疾病［27］。

由于诱导类器官血管形成的决定性因素尚不清楚，目前仅有少数种类的类器官血管化培养成功。事实上，不同种类的类器官血管化培养的条件也不尽相同。为此，探索其他类器官功能血管化的工作与连接不同血管化的类器官仍是未来类器官技术的发展方向。(https://www.daowen.com)

本章中，我们首先介绍了类器官在疾病资源库中的重要应用，然后阐述了其在新药研发领域和药效筛选中的进展，最后系统介绍了未来类器官与多组织来源细胞重构的相关探索和尝试。尽管目前类器官功能可视化与标准化的相关研究已经日渐完善，但由于体外培养类器官功能异质性（heterogeneity）差异，我们需要知道类器官与体内相比，其生理学保真性、基因组稳定性与细胞可塑性的差异［28］。同时，建立类器官疾病库和未来高通量精准医疗也亟须标准操作步骤的建立、培养基条件的优化和基质胶安全性等方面的落实。近期开启的人类器官细胞图谱计划（The Organoid Cell Atlas）旨在收集来自不同人体组织和类器官的单细胞基因组数据［29］，推动类器官工程的标准化与质量控制。与此同时，除了多组学（蛋白组学、基因组学和转录组学）分析外［30］，还需要综合更精确、更全面的方法分析类器官中各种细胞的空间构筑、不同功能细胞的表观遗传、代谢和细胞群产生的协同生理学（collective physiology）等功能参数。目前，类器官领域仍有诸多问题需要解决，例如类器官与神经、血管系统的共培养以最终达到器官重构，类器官的质量控制与长期保存等。进一步的新技术与新方法拓展将促进类器官基础研究与转化潜能的进一步开发。我们期待人类器官细胞图谱计划信息库将演绎包括单细胞蛋白质组时空与信息流传递信息，为基于细胞的个性化健康诊疗提供新基石。

（姚雪彪、陈晔光、刘嫒）