把血管支持细胞带入组织模型

很多类器官可以形成上皮或神经结构,却缺少血管、基质和组织常驻免疫细胞。德国维尔茨堡大学(University of Würzburg)团队从人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)获得中胚层祖细胞,尝试让这些细胞在类器官内产生内皮及血管周围支持细胞,从而建立更复杂的体外组织环境。

研究设置了两种组合。较简单的肿瘤模型,将中胚层祖细胞与 MDA-MB-435s 肿瘤细胞系混合;较复杂的神经模型,则将神经细胞团与中胚层细胞团放在一起培养,观察两者的接触、融合和后续组织形成。两类模型分别检验快速形成血管结构与长期组织自组装。

这些祖细胞能够向内皮细胞或平滑肌细胞方向分化。作者希望利用这种多向潜能,在血管管道以外增加血管壁支持和间质环境,接近发育过程中神经上皮与周围间充质的相互作用。

肿瘤模型的血管网络对药物产生反应

肿瘤细胞与祖细胞形成聚集体后,CD31 阳性的内皮结构出现并逐渐扩展。氧环境影响网络分布:较高氧条件下,网络更多集中于聚集体一侧;低氧条件下,网络分布较均匀。随着肿瘤聚集体长大,内皮网络也扩大,并有部分结构进入肿瘤细胞区域。

内皮结构旁可见 αSMA 阳性支持细胞,以及与之伴随的Ⅰ型胶原。电子显微镜进一步观察到部分细胞内空泡及其融合,提示管腔形成。作者由此从细胞组成和超微结构两方面检查血管样组织,补充单独内皮染色的信息。

药物比较采用索拉非尼和 HSP90 抑制剂 17-AAG。与溶剂对照相比,两种处理均扰乱内皮网络形成,分支点减少,总血管长度缩短。图像定量每个条件选取 6 个类器官;结果显示模型能对抗血管生成化合物作出反应。

另一部分实验将模型移植至鸡胚绒毛尿囊膜,观察到人源血管与宿主血管连接,以及宿主血细胞进入模型血管。这个结果检查的是移植后的血管连接,论文将它与体外的网络形态和药物反应分别报告。

血管化肿瘤模型在索拉非尼和 17-AAG 处理后的网络变化。

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血管化肿瘤模型在索拉非尼和 17-AAG 处理后的网络变化。(来源:Philipp Wörsdörfer 等,Scientific Reports,2019,Figure 3,CC BY 4.0)(Philipp Wörsdörfer 等 / Scientific Reports, 2019, Figure 3;CC BY 4.0)

神经模型逐步形成血管与组织交界

神经细胞团与中胚层细胞团共同培养后,形成神经组织和间充质区域。约第 60 天,在两者交界处可见聚集的毛细血管样结构;间充质区域中则形成有分支和不同大小的血管网络。电子显微镜显示管腔、基底膜、内皮间连接和血管周围细胞。

在神经模型的血管超微结构中,研究还观察到内皮的极性、管腔侧小窝与释放的微囊泡,以及内皮与周围细胞之间的接触。它们补充血管壁的结构特征。作者同时强调,流动造成的剪切刺激会影响最终成熟,因此结构较完整后,持续灌流仍然是需要解决的另一个问题。

继续培养时,神经部分形成围绕液体腔隙排列的神经上皮,内部有祖细胞,外侧可见分化神经元。第 180 天以后,研究观察到内皮结构进入神经组织,在血管旁出现 GFAP 阳性细胞接触。GFAP 可标记不同胶质相关细胞,文中保留星形胶质细胞或放射状胶质细胞的可能解释。

Iba1 阳性细胞出现在血管周围,并进入神经区域,其形态从阿米巴样向分支样变化。作者据位置、标志与形态将它们描述为小胶质样细胞。这个观察说明中胚层组织还可能带入免疫相关成分,丰富神经组织的细胞环境。

复杂度提高,也带来均一性和灌流问题

两种模型的时间尺度明显不同。肿瘤模型在约 10–14 天内形成可用于比较的聚集体,作者据此讨论药物筛选用途;神经组合则长期培养,部分观察延续到 280 天。较短形成时间与长期发育各自回答不同问题,研究没有将两种系统合并成同一种筛选流程。

最初的神经模型在大小和血管化程度上存在较大差异。团队随后先形成尺寸较明确的两类细胞团,再组合培养;调整后,各聚集体都具有血管化的中胚层部分和神经部分,但不同实验之间仍有一定变异。采用另一株 iPSC 重复实验也得到类似结构。

作者认为,体外形成的血管仍需要稳定、长期的灌流,才能进一步成熟。移植进入宿主循环是一种方式,与人工灌流血管网络连接则是提出的体外发展方向。当前结果主要建立血管支持结构,并在肿瘤模型中展示抗血管生成反应。

这项工作把类器官的药物评价对象从肿瘤细胞本身扩展到其血管环境。肿瘤模型的药物比较和神经模型的组织形成各有时间尺度与指标;在后续筛选中,需要继续检验血管网络、组织组成及模型间差异如何影响具体药物反应。

来源与延伸阅读

  1. Generation of complex human organoid models including vascular networks by incorporation of mesodermal progenitor cells. Scientific Reports. 2019. doi:10.1038/s41598-019-52204-7 ↗