為了篩葯精準，科學家設計出體外3D人體血管網路

知識 02-10

多功能幹細胞誘導的毛細血管組織3D結構圖, 圖來自nature.com

撰文 | 韓東升

責編 | 葉水送

血管是維持生命所必需的，因為身體的所有組織都依賴於它們的正常功能。血管病變會引發許多疾病，如中風、冠心病。由於在人體中直接對血管進行研究困難重重，我們對血管病變的深層原因知之甚少，因此在人體外創造一個合適的、相仿的血管研究模型對整個領域的發展至關重要。

遍布全身的血管，圖片來自wikipedia

近日，英屬不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）和奧地利科學院(Austrian Academy of Sciences) 等研究者們合作，首次在實驗室中實現多功能幹細胞成功誘導出具有功能的3D人體血管網路類器官。與之前多種細胞共培養的人造血管相比，該微血管網路結構更均勻，與天然的人類血管網路更相似。相關研究發表在1月16日的《自然》雜誌上。

在實驗室中成功建立易於操作的人類心血管網路模型，對血管系統相關的疾病的研究具有重大意義。該論文共通訊作者之一、奧地利科學院分子生物技術研究所研究員Josef Penninger在接受The Scientist採訪時表示，「我們體內的每一個器官都與循環系統相關聯，該模型為研究人員提供機會去研究各種血管疾病的原因和治療方法。這將改變該領域的遊戲規則。」

從人多功能幹細胞誘導分化成微型血管類器官的方案示意圖，圖來自nature.com

為了測試培養的人類血管網路類器官（上圖最右側的白色團狀物）是否具有生物功能，研究人員將其移植到具有免疫缺陷的小鼠體內。結果發現，它能成功連接到小鼠的循環系統中，存活率超過95%，且能夠生存超過6個月以上。組織學切片分析顯示，血管細胞在體內會進一步分化為動脈、小動脈、毛細血管和靜脈。這表明該體外培養的血管能夠可融合至小鼠生物體內，且具有生物功能，為下一步的疾病研究提供了基礎。

那麼，在體外成功建立有功能的人類血管網路模型，可以用它來做什麼？該研究團隊選擇用來解釋糖尿病的血管病變的原因，並篩選出有效藥物。

為何選擇研究糖尿病？這是因為糖尿病能引起眾多併發症，且主要與血管損傷有關，如糖尿病使患心血管疾病的風險增加了一倍，糖尿病患者中75%的死亡是由於冠狀動脈疾病。糖尿病同時也造成眾多的小血管損傷，進一步可造成對眼睛、腎臟和神經等器官的損傷。糖尿病性視網膜病變就是由視網膜血管損傷引起的，患者的視力會逐漸喪失，最終失明。

全球糖尿病患者(20-79歲)總數量隨時間的變化，圖片來自diabetesatlas.org

在移植人造血管的小鼠中誘發糖尿病後，研究者發現人造血管中基底膜的大量擴張，這與糖尿病患者的血管損傷造成典型的基底膜增厚十分相似。進一步的測序分析表明，人造血管與糖尿病病人具有相似的基因表達圖譜，且都高表達的angiopoietin2、apelin和TNFRSF11B等糖尿病標記基因。這說明雖然由人類多功能幹細胞誘導的血管結構被移植到小鼠身體上，但其仍具有人類的「記憶」，因此可以用作人類血管疾病的研究模型。