Cell Stem Cell 类器官研究无需永久血管网络

 

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近日，德国波恩大学及图宾根大学的研究团队在 Cell Stem Cell 发表研究，构建了一种短暂血管化的人源视网膜类器官模型。

本研究提出了一个不同的思路：血管并不需要长期存在，只需在关键发育阶段短暂介入，就足以重塑神经细胞的命运轨迹。

一、研究背景与核心问题

问题背景：

视网膜类器官（RO）是研究人类视网膜发育和疾病的理想模型，但缺乏血管系统导致：

• 内部缺氧；
• 视网膜神经节细胞（RGC）早期退化；
• 功能成熟受限；
• 长期培养困难。

研究目标：

构建一种短暂血管化的人类视网膜类器官（vRO），通过引入血管样网络和微流控轴突引导，延长RGC存活时间，提升其功能成熟度，并实现光感受器驱动的视网膜环路功能。

二、技术路线与实验设计

1. 血管化策略

诱导内皮细胞（EC）：使用ETV2.2转录因子将hiPSC分化为EC，并标记EGFP。

共培养方式：第7天将视网膜类器官（EB）置于预铺EC单层的Matrigel上，避免早期干扰EB形成。

结果：PECAM1+血管样结构整合入类器官，持续至22周，形成管腔结构并可灌注染料。

2. 微流控+MEA电生理平台

微流控装置：PDMS材质，双腔室通过微通道连接，引导RGC轴突定向生长。

多电极阵列（MEA）：记录轴突电活动，支持长期培养与刺激。

光遗传学工具：使用f-ChRimson（红光激活的通道蛋白）特异性标记RGC，实现精准激活。

三、主要实验结果

1. 血管结构成功整合

PECAM1+结构在vRO中持续存在至22周；

管腔结构可灌注染料（Dx-598），提示功能性；

降低缺氧（Image-iT Green Hypoxia Reagent）；

减少凋亡（Annexin V+细胞减少）；

类器官体积显著增大。

2. RGC存活显著增强

18周时，vRO中RGC（POU4F1+）比例达18.2%，而对照组仅1.2%；

RT-qPCR显示RGC标志物（POU4F1、SLC17A6）表达持续升高；

单细胞测序显示vRO中RGC成熟度更高（52% vs 36%为“命运承诺”状态）。

3. 功能电生理提升

自发活动：vRO中RGC放电频率更高，网络同步性更强；

光遗传刺激：vRO中响应神经元比例、放电强度、 fidelity（响应可靠性）均显著高于对照；

gap junction抑制剂（CBX）可减弱网络同步性，提示电突触参与。

4. 光感受器驱动的视觉环路功能（31周）

使用470nm（蓝光）与580nm（黄光）刺激，绕过光遗传工具；

成功记录到ON、OFF、ON-OFF三类RGC反应；

ON-OFF型神经元占比最高，反应最强；

表明视网膜垂直通路（PR→ bipolar → RGC）功能成熟。

5. 模拟病理性新生血管（ROP模型）

低氧（4% O₂）+ CoCl₂ + VEGF处理；

vRO中PECAM1+血管面积与长度显著增加；

光感受器标志物（ARR3、RHO）表达升高；

成功模拟早产儿视网膜病变（ROP）的血管增生特征。

四、创新点总结

五、潜在应用方向

六、局限性与未来方向

七、总结

本研究通过短暂血管化+微流控引导+光遗传+电生理，首次在体外构建出功能成熟、具备ON/OFF/ON-OFF光反应的人类视网膜类器官，为视网膜疾病研究、药物筛选与再生治疗提供了前所未有的功能性人类模型平台。Kirkstall Quasi Vivo®类器官串联灌流共培养系统