2024顶刊综述：类器官血管化，看完这篇就够！

在天然组织中，血管系统承担着营养供应的核心功能，同时调控组织稳态、再生和器官功能。同理，血管化对于类器官培养也至关重要，它能够促进氧气输送、营养转运和代谢废物清除，这些都是维持类器官存活的关键因素。

类器官血管化的必要性与底层生物学核心结论

核心瓶颈定论：哺乳动物组织中氧气与营养物质的扩散极限仅为100~200μm，无功能性血管网络的大尺寸类器官会不可避免地出现核心缺氧、坏死与功能受损，这是限制类器官长期培养、生理复杂度提升与临床转化的最核心障碍。

核心驱动因子定论：血管发生（血管从头形成）与血管生成（现有血管出芽新生）是类器官血管化的两大基础生物学过程，VEGF-A 是该过程最强效、最核心的调控因子；其给药剂量、时空动态直接决定血管网络的分支模式、密度与成熟度，而类器官核心缺氧诱导的内源性 VEGF-A 分泌，是造成类器官批次间差异的关键来源。

非生化调控定论：流体剪切力、细胞外基质（ECM）的理化特性，是血管发育不可替代的非生化调控因素。层流剪切力通过 Piezo1 机械信号通路调控内皮细胞表型与动静脉特化；ECM 的成分、刚度直接决定内皮出芽、血管网络形成与成熟效率，较软的基质更利于微血管网络构建。

类器官可通过血管细胞共培养、血管类器官共培养、类器官共分化、类器官芯片平台和类器官3D生物打印实现血管化。

①血管细胞共培养：将内皮细胞（ECs）与支持细胞类型（如周细胞、成纤维细胞）共培养，促进类器官内血管样结构的自组装。

②血管类器官共培养：将谱系特异性类器官与预成型的血管类器官进行策略性共培养，促进二者整合与血管化进程。

③类器官共分化：将干细胞同时分化为器官特异性谱系和血管谱系，实现类器官与其支持血管系统的一体化发育。

④类器官芯片（OOC）技术：将类器官整合到微流控装置中，构建灌注式血管化系统，提升模型的生理相关性。

⑤类器官3D生物打印：通过细胞、生物材料和牺牲墨水的精准沉积，制备具有预设血管通道的类器官，实现对血管结构的更高程度调控。

血管发育由一系列分子因子和信号通路的复杂相互作用所调控，而内皮细胞在适宜的刺激下，具有自组装形成管状结构的内在能力。

这些因子（尤其是VEGF-A）的剂量和给药时机的特异性，在很大程度上决定了类器官内的血管形成模式。

1. VEGF-A的核心作用

结合内皮细胞表面VEGFR1/2，启动血管出芽、尖端细胞竞争、内皮增殖与管腔形成。

与Notch信号协同，决定尖端细胞/茎细胞命运，引导血管向缺氧区延伸。

剂量与时机决定血管网络密度、分支、成熟度，是类器官血管化的关键调控节点。

与FGF-2、Angiopoietin-Tie2、PDGF-β等通路配合，实现血管稳定、周细胞包裹、管腔化。

2. VEGF梯度驱动的血管生成与Piezo1介导的内皮细胞信号传导

A.缺氧环境下VEGF梯度驱动的血管生成过程。血管生成刺激：血管内壁的内皮细胞暴露于VEGF梯度中，其浓度与组织内的氧分压呈负相关。尖端细胞竞争：响应血管生成梯度，单个细胞高表达VEGFR2，激活邻近细胞的Notch信号。这种细胞间通讯会导致邻近细胞的VEGFR2表达下调、sVEGFR1表达上调，而sVEGFR1可结合并隔离游离的VEGF。相邻尖端细胞之间的这种相互作用，最终决定了哪个细胞成为尖端细胞、哪个细胞保持茎细胞表型。血管出芽：尖端细胞引导血管生成出芽，沿着不断延长的茎细胞向缺氧区域延伸。

B.不同流动条件下Piezo1介导的内皮细胞信号传导。层流条件下（左）：Piezo1通道激活引发钙内流，进而启动钙蛋白酶、MT1-MMP、Akt等下游级联反应，使内皮细胞发生一系列生理性改变。湍流条件下（右）：Piezo1激活会导致α5整合素活化，长期可促进血管的动脉粥样硬化性炎症反应。

1.各类血管化工程用支架材料

A.类器官工程用动物源支架（左）与合成聚合物支架（右）的对比。动物源基质胶的特点是基质成分复杂、比例不明确，且存在异种污染物和蛋白，可能引发非预期效应和批次间差异；而合成聚合物支架（右）的成分比例明确，理化性质高度可调，能够实现可控的细胞响应。

B.天然组织的脱细胞过程。从左至右展示了从富含细胞成分的天然组织，到细胞内成分减少的部分脱细胞状态，再到富含细胞外基质（ECM）成分的完全脱细胞基质的转变过程，其保留了复杂的细胞外基质架构，可用于类器官血管化。

将内皮细胞与经过策略性筛选的支持细胞类型、促血管生成因子（如VEGF、FGF-2）共培养，可驱动细胞自组装形成组织特异性血管结构。近期的研究进展中，通过引入中胚层祖细胞（MPCs）、间充质干细胞（MSCs）和巨噬细胞，进一步提升了类器官模型的血管化效率和血管成熟度：

血管化类器官已在糖尿病血管病变、早衰症、肿瘤、神经退行性疾病等模型构建，以及药物毒性筛选、个性化药效评价中展现出不可替代的价值，患者特异性 iPSC 来源的血管化类器官，是实现精准医疗的核心工具。

当前血管化类器官向临床与商业化转化存在三大核心瓶颈：一是批次间可重复性差，受细胞来源、培养条件、因子动态的影响显著；二是规模化生产难度大，难以实现高通量、均一化的制备；三是成本高昂，专用设备、生长因子、生物墨水的高成本限制了其广泛应用。