06.30 2025
人类胚胎早期发育过程中，心脏和肝脏的血管形成（血管化）是器官功能建立的关键步骤。然而，由于伦理限制和技术难度，科学家难以获取早期人类胚胎进行研究，导致我们对这一过程的了解远不如小鼠等模式生物深入。
近年来，类器官（Organoids）技术的兴起为模拟人类器官发育提供了新途径，其中，类原肠胚（Gastruloids）是一种由多能干细胞体外诱导形成的三维结构，能模拟胚胎原肠胚阶段的发育特征。尽管如此，如何在体外培养的类器官中构建功能性血管网络仍是一大挑战。血管不仅是营养和氧气输送的通道，还参与器官的形态发生和功能调控。缺乏血管的类器官往往难以长期存活，也无法真实模拟器官的生理和病理过程。
本月初，斯坦福大学医学院吴庆明教授团队在《Science》期刊发表的研究“Gastruloids enable modeling of the earliest stages of human cardiac and hepatic vascularization”，利用类胚体技术，成功模拟了人类心脏和肝脏的早期血管化过程，突破了类器官研究中的关键瓶颈，为研究人类器官发育和药物筛选提供了全新工具。
一、 微图案化技术与精准因子调控实现血管化类器官的构建
研究团队从两方面优化血管网络的形成。首先，采用微图案化（micropatterning）培养系统，将人多能干细胞（hPSCs）限定位于特定几何结构内，使其在空间限制下模拟早期胚胎前后轴和中胚层形成。同时，通过筛选多种生长因子和小分子组合，确定了VEGF、FGF2、BMP4等关键因子的最佳配比，模拟胚胎发育的诱导信号，显著促进血管内皮细胞（ECs）的分化和血管网络形成，从而诱导形成多谱系分化的类胚体。
利用微图案技术实现三维空间的“类胚体”组装
CMs、ECs 和 SMCs 共同分化形成 cVO 的时间轴、阶段、细胞类型、几何形状、培养基和生长因子
在优化的诱导条件下，生成的心脏类器官（cVOs）包含心肌细胞（cTnT+）、内皮细胞（CD31+/PECAM1+）、心内膜样细胞（NFATC1+）、心外膜细胞（WT1+, TBX18+），以及自主神经前体细胞（PHOX2B+, ISL1+）。同时，通过免疫染色和单细胞转录组分析（scRNA-seq）验证了谱系的真实性与区域分布，实现了心脏的多谱系共分化，模拟了真实心脏的复杂微环境。
cVO 包括多种心肌细胞、血管细胞、心内膜细胞、心外膜细胞和神经细胞类型
二、 血管网络的结构与功能验证
高分辨率共聚焦显微镜和电镜成像显示，类器官内形成分支状、管腔化的血管结构，直径与早期人类胚胎血管相似（10-50 μm）。这些血管样结构具有内皮内腔（lumenized endothelium），周围包裹有心肌细胞层，构成类心室样组织。通过bulk RNA-seq和scRNA-seq分析发现内皮相关基因（如VEGFR2/KDR, CDH5, ERG, SOX17）表达显著上调，血管生成信号通路（VEGF, Notch, TGF-β, Hippo）活跃，表明类器官正处于活跃血管化进程。空间转录组分析揭示出心血管结构沿轴向分布，并可识别心内膜–心肌分区。
cVO 包括与心肌细胞在空间上结合在一起的分支和管腔血管
为了验证血管网络的功能性，实验人员将荧光微球注入类器官培养体系，证实血管具有物质运输功能，微球可沿血管网络流动。同时，血管内皮细胞表达紧密连接蛋白（如ZO-1、Claudin-5），表明其具备类似体内血管的屏障特性。此外，在cVO中观察到自主收缩和节律性心肌电活动，提示部分心肌细胞具备功能特性。
cVO 的相关电生理测试
三、关键信号通路的调控机制
研究发现，抑制BMP信号（如使用Noggin）会导致血管网络结构紊乱，证实BMP4是血管形态发生的关键因子。NOTCH信号激活（如DLL4过表达）可促进血管分支形成，而抑制NOTCH（如DAPT处理）则导致血管稀疏。
抑制 BMP 通路与NOTCH通路会破坏cVO内的血管
四、肝血管器官样体（Hepatic Vascularized Organoids, hVO）的构建
研究者沿用类似策略，在早期诱导中导入肝成分信号（如BMP4, HHEX激活）结合VEGF通路活化。结果显示hVO中形成了肝祖细胞（AFP+, HNF4A+）与内皮细胞和管腔结构（CD31+, LUMEN+）。作者进一步对心脏与肝脏模型进行并行比较，发现血管化程序在两类器官样体中均可通过VEGF/WNT/FGF信号模块协同激活实现，由此证实早期器官血管发育在分子路径上具有共通性（conserved mechanism）。
用于创建 cVO 的血管化因子可以创建 hVO
总结与展望
这项研究标志着类胚体技术在模拟人类早期器官发育领域的重大突破。通过微图案化的hPSCs和精心设计的血管诱导因子，科学家首次在体外再现了心脏和肝脏早期血管化的复杂过程，并揭示了NOTCH/BMP通路的核心调控作用。这不仅填补了人类发育研究的空白，还为再生医学、药物筛选和疾病建模提供了强大工具。
不过，目前类器官仍存在成熟度不足、个体差异大等问题，未来需优化培养体系，使其更接近真实器官。此外，如何实现血管与宿主血管的高效整合，仍是移植治疗的关键挑战。
正如研究者所言：“类原肠胚技术让我们得以在培养皿中‘窥探’生命最初的奥秘，但这只是解开发育谜题的开始。未来，我们或许能通过这一模型，为先天缺陷患儿点亮更多希望之光。”
References
· Abilez OJ, et al. Gastruloids enable modeling of the earliest stages of human cardiac and hepatic vascularization. Science. 2025.
