研究人员正在实验室制造出越来越复杂的迷你器官，现在它们能够自己长出血管了。这些模拟心脏、肝脏、肺和肠道结构的模型，是迄今最复杂的人类发育模型之一，其中包含的细胞群和结构在这些模型中是前所未有的。
科学家已培育出带有血管的心脏、肝脏和肺类器官。图为培养瓶内的人类大脑类器官。图片来源：National Institutes of Health/Science Photo Library
“类器官的血管化是一个热门话题。”美国麻省总医院的肾病学家和干细胞生物学家Ryuji Morizane 说。
被称为类器官的微型3D细胞结构多年来已被用于药物测试、疾病和发育研究。但大多数类器官缺乏在全身输送血液、营养和氧气的血管，这限制了它们的大小、功能和成熟能力。例如，肾脏需要血管来过滤血液和产生尿液、肺部需要血管来进行氧气和二氧化碳的交换。
近日，两个独立的研究团队分别在《科学》和《细胞》报告称，他们采用一种新方法培育出带血管的类器官。研究人员从可以转化为体内几乎任何类型细胞的多能干细胞出发，诱导这些细胞在形成其他器官组织时形成血管。
“这些模型确实展示了这种策略的强大之处。”美国斯坦福大学的干细胞生物学家Oscar Abilez 说。
血管化类器官的第一次尝试包括在培养皿中培养血管组织，然后将其与其他细胞类型结合形成“组装体”。但是这些模型在模拟真实器官的结构和成熟度方面仍然受到限制。
研究人员偶然发现了这种新方法。包括美国密歇根大学安娜堡分校的一个小组在内的几个研究团队报告，他们在培养构成某些器官和组织外层的上皮细胞时，其类器官还能自发地形成血管内壁的非上皮细胞。这些细胞通常被视为需要清除的“污染物”，但研究小组试图在肠道类器官中放大这种“污染”。
利用这一意外发现，中国科学院动物研究所的干细胞生物学家苗一非和同事决定从肺和肠道类器官开始，看看能否控制上皮细胞和血管细胞在同一个培养皿中同时生长。
但在早期发育中，上皮细胞和血管细胞需要完全相反的分子信号才能生长。研究人员找到一种方法，可以定时给混合分子注射剂量，从而触发干细胞同时形成两种类型的组织。
由此产生的肺类器官在移植到小鼠模型中后，成熟为多种细胞类型，包括在肺泡中发现的独特细胞。当研究人员将这些细胞移植到3D支架上时，它们自发形成了类似肺泡囊的结构。这表明血管细胞的存在使得类器官能够形成具有多种细胞类型的复杂组织。
“这让我觉得非常有趣。”德国亥姆霍兹感染研究中心的遗传工程师 Josef Penninger 说。该团队使用类似方法培育出了带有血管细胞的肠道类器官。
Abilez 则使用类似方法在培养皿中培育出迷你心脏，这些类器官形成了典型的肌肉细胞、血管细胞，甚至还有神经细胞。血管分支成非常细小的管道，深入到早期心脏中发现的各种细胞类型中。使用这种方法创建肝脏类器官也产生了大量血管细胞，并形成了精细的分支。
但这些类器官仍然只代表了胎儿发育的早期阶段。Penninger 说，最终，要创造出功能接近真实器官的类器官，组装体和这种共生长方法都将被需要。为了实现这一点，研究人员需要培育更大的血管，以及所有必要的支持性组织和结构，还有作为补充负责将液体输送到器官并将废物运出的淋巴系统血管。Penninger 说，一旦血管就位，下一个挑战将是“打开水龙头”，利用它们来循环血液。这是一个“非常酷的领域”。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.041
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