研究人員正在實驗室制造出越來越復雜的迷你器官，現在它們能夠自己長出血管了。這些模擬心臟、肝臟、肺和腸道結構的模型，是迄今最復雜的人類發育模型之一，其中包含的細胞群和結構在這些模型中是前所未有的。
科學家已培育出帶有血管的心臟、肝臟和肺類器官。圖為培養瓶內的人類大腦類器官。圖片來源：National Institutes of Health/Science Photo Library
“類器官的血管化是一個熱門話題。”美國麻省總醫院的腎病學家和干細胞生物學家Ryuji Morizane 說。
被稱為類器官的微型3D細胞結構多年來已被用于藥物測試、疾病和發育研究。但大多數類器官缺乏在全身輸送血液、營養和氧氣的血管，這限制了它們的大小、功能和成熟能力。例如，腎臟需要血管來過濾血液和產生尿液、肺部需要血管來進行氧氣和二氧化碳的交換。
近日，兩個獨立的研究團隊分別在《科學》和《細胞》報告稱，他們采用一種新方法培育出帶血管的類器官。研究人員從可以轉化為體內幾乎任何類型細胞的多能干細胞出發，誘導這些細胞在形成其他器官組織時形成血管。
“這些模型確實展示了這種策略的強大之處。”美國斯坦福大學的干細胞生物學家Oscar Abilez 說。
血管化類器官的第一次嘗試包括在培養皿中培養血管組織，然后將其與其他細胞類型結合形成“組裝體”。但是這些模型在模擬真實器官的結構和成熟度方面仍然受到限制。
研究人員偶然發現了這種新方法。包括美國密歇根大學安娜堡分校的一個小組在內的幾個研究團隊報告，他們在培養構成某些器官和組織外層的上皮細胞時，其類器官還能自發地形成血管內壁的非上皮細胞。這些細胞通常被視為需要清除的“污染物”，但研究小組試圖在腸道類器官中放大這種“污染”。
利用這一意外發現，中國科學院動物研究所的干細胞生物學家苗一非和同事決定從肺和腸道類器官開始，看看能否控制上皮細胞和血管細胞在同一個培養皿中同時生長。
但在早期發育中，上皮細胞和血管細胞需要完全相反的分子信號才能生長。研究人員找到一種方法，可以定時給混合分子注射劑量，從而觸發干細胞同時形成兩種類型的組織。
由此產生的肺類器官在移植到小鼠模型中后，成熟為多種細胞類型，包括在肺泡中發現的獨特細胞。當研究人員將這些細胞移植到3D支架上時，它們自發形成了類似肺泡囊的結構。這表明血管細胞的存在使得類器官能夠形成具有多種細胞類型的復雜組織。
“這讓我覺得非常有趣。”德國亥姆霍茲感染研究中心的遺傳工程師 Josef Penninger 說。該團隊使用類似方法培育出了帶有血管細胞的腸道類器官。
Abilez 則使用類似方法在培養皿中培育出迷你心臟，這些類器官形成了典型的肌肉細胞、血管細胞，甚至還有神經細胞。血管分支成非常細小的管道，深入到早期心臟中發現的各種細胞類型中。使用這種方法創建肝臟類器官也產生了大量血管細胞，并形成了精細的分支。
但這些類器官仍然只代表了胎兒發育的早期階段。Penninger 說，最終，要創造出功能接近真實器官的類器官，組裝體和這種共生長方法都將被需要。為了實現這一點，研究人員需要培育更大的血管，以及所有必要的支持性組織和結構，還有作為補充負責將液體輸送到器官并將廢物運出的淋巴系統血管。Penninger 說，一旦血管就位，下一個挑戰將是“打開水龍頭”，利用它們來循環血液。這是一個“非常酷的領域”。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.041
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