中胚层与内胚层共分化实现肺和肠道类器官的组织特异性血管化
来源文献: Miao Y, Pek NM, Tan C, et al. Co-development of mesoderm and endoderm enables organotypic vascularization in lung and gut organoids. Cell. 2025;188:1-19.
DOI: 10.1016/j.cell.2025.05.041
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发表日期: 2025年8月7日
机构: 辛辛那提儿童医院 · 中国科学院 · 哈佛大学 · UCLA 等
核心发现
这篇 Cell 论文开创性地提出了一种中胚层-内胚层共分化策略，在单个球体内同时诱导两个胚层发育，成功生成了带有组织特异性血管系统的肺和肠道类器官——这是此前所有传统类器官方法都无法实现的。
四大突破
- BMP 信号精准调控中胚层/内胚层比例——是生成器官特异性血管的关键
- 组织特异性血管促进类器官发育和成熟——血管化类器官更接近人类胎儿器官
- 血管化类器官重现人类胎儿肺和肠道特征——包括肺泡-毛细血管界面
- 成功建模 FOXF1 突变导致的先天性肺血管发育不良（ACDMPV）——传统类器官无法做到
技术策略
核心创新：共分化 vs 组装
| 方法 | 传统类器官 | 本研究血管化类器官 |
|---|---|---|
| 胚层来源 | 仅内胚层 | 中胚层+内胚层共分化 |
| 血管来源 | 外源添加 HUVEC 或 VEGFA 扩增少量内源性 EC | 内源性中胚层自发分化出器官特异性 EC |
| 内皮特异性 | 无器官特征 | 肺/肠道 EC 各自表达特异性标记 |
| 上皮纯度 | 34.5% 肠上皮污染（肺类器官） | 仅 1% 污染 |
| 屏障功能 | 未验证 | 肺 EC TEER 显著高于肠 EC |
BMP 信号调控是关键
- BMP 处理 0-1 天 → 倾向前肠/肺命运（NKX2.1+/CDX2-）
- BMP 处理 0-3 天 → 倾向后肠/肠道命运（CDX2+/SOX2-）
- scRNA-seq 证实：Day 3 时 BMP 驱动评分与前-后轴模式评分正相关（r=0.85）
图1 | BMP 信号调控中胚层-内胚层共分化及血管化类器官生成流程
核心结果
1. 血管整合指数接近胚胎期小鼠器官
Day 21 血管化肺祖类器官（vHLPO）中：
- PECAM-1+ 血管内皮细胞占 10%（传统类器官为 0%）
- FOXF1+ 间质细胞同时出现
- 建立了"血管整合指数"（vascular integration index）：测量上皮细胞到血管床表面的最短距离
- vHLPO 的血管结构与 E12.5 天胚胎小鼠肺相当
图2 | 血管化类器官中的器官特异性内皮细胞
2. 内皮细胞获得器官特异性特征
scRNA-seq 分析（Day 21）显示：
-
血管化类器官 EC 比例显著提升：
- vHLPO：7%（传统 HLPO：0%）
- vHIO：9%（传统 HIO Day 22：0.4%，Day 67：2%）
-
肺 EC 特异性标记：HPGD、APCDD1、FENDRR
-
肠 EC 特异性标记：STAB1、MTUS1、IGFBP7
-
功能验证：肺 EC 的 TEER（跨内皮电阻）显著高于肠 EC，与生理功能一致
- 肺需要紧密屏障防止液体渗入肺泡（高效气体交换）
- 肠道需要更大通透性以吸收营养
3. 微环境决定内皮细胞特异性
CellChat 配体-受体分析发现：
| 来源 | 配体 | 靶标 |
|---|---|---|
| 肺间质 | FGF9 | 肺 EC |
| 肺上皮 | SEMA3E | 肺 EC |
| 肠上皮 | SEMA4C、IGF2 | 肠 EC |
| 肠间质 | IGF2 | 肠 EC |
内皮可塑性实验：分离的肺 EC 暴露于肠 EC 诱导因子后获得肠样特征，反之亦然——证明 EC 高度可塑。
图3 | 血管化类器官中的器官特异性间质细胞
4. 间质细胞同样具有器官特异性
- 肺间质特异性标记：TBX4
- 肠间质特异性标记：IGFBP7
- 前-后轴模式在 Day 7 的间质中已确立（与 E8.75 小鼠胚胎肠管一致）
5. 体内移植促进成熟
将血管化类器官移植到免疫缺陷小鼠肾包膜下 3 个月：
-
tvHLuO（移植血管化肺类器官）：
- 发育出分支形态，肺上皮纯度高
- 广泛的血管化，红细胞灌注的毛细血管床
- 多数血管来源于人源 hPSC 而非宿主
- 出现肺泡毛细血管 EC 亚型：aCap（FENDRR+）和 gCap（IL-7R+/KIT+）
- 发现 RAS 细胞（SCGB3A2+/SCGB1A1+）——人类独有的呼吸细支气管细胞类型
-
tvHIO（移植血管化肠道类器官）：
- 组织良好的肠腔结构
- 红细胞灌注的上皮下血管床
- 传统 tHIO 移植后无此结构
图4 | 血管化类器官的体内成熟：移植后出现灌注毛细血管
6. 上皮成熟度和多样性显著提升
vHLPO 上皮 vs 传统肺祖类器官（cLPO）：
- 更接近人类胎儿晚期肺上皮发育阶段
- KRT19 和 CLDN4 表达降低——这些基因与 PATS 细胞（DNA 损伤/衰老相关）相关，在肺纤维化中富集
- cLPO 激活 DNA 损伤/凋亡通路，vHLPO 激活肺形态发生/发育通路
- 发现人类 RAS 细胞分泌肺表面活性蛋白（SFTPB）和黏蛋白
图5 | 血管化肺类器官中上皮成熟度提升
7. 在工程支架上形成肺泡结构
将 vHLPO 解离后接种到 GelMA+HAMA 3D 多孔肺支架上：
- 细胞自主形成肺泡囊样结构（传统 cLPO 仅形成单层）
- EC 沿水凝胶囊表面排列，包围肺上皮芽
- 出现 AT1 样（部分扁平细胞）和 AT2 样（含板层小体的立方形细胞）肺泡细胞
- 电镜观察到早期 AT1 细胞与 EC 的物理并置——功能性屏障单元形成的起始
图6 | 工程支架上的肺泡结构形成：AT1/AT2 细胞与内皮细胞并置
8. 成功建模 FOXF1 突变导致的 ACDMPV
用 3 名 ACDMPV 患者 iPSC 生成血管化肺类器官：
- 毛细血管形成显著减少
- aCap 和 gCap 群体减少
- 远端肺上皮减少（SOX9+、NKX2-1+）
- AT1 分化受损（HOPX+）
- 损伤相关 AT1/AT2 中间细胞积累（CLDN4+/NKX2.1+）
关键发现：尽管肺上皮细胞不表达 FOXF1，但上皮缺陷是由周围缺陷的内皮/间质和破坏的内皮-上皮串扰引起的——这是传统类器官无法揭示的机制。
图7 | FOXF1 突变血管化肺类器官建模 ACDMPV：毛细血管减少和上皮异常
对类器官研究的意义
范式转变
| 维度 | 传统类器官 | 血管化多谱系类器官 |
|---|---|---|
| 胚层 | 单一内胚层 | 多胚层共发育 |
| 血管 | 无或外源添加 | 内源性器官特异性 |
| 成熟度 | 有限 | 更接近胎儿器官 |
| 疾病建模 | 仅上皮缺陷 | 内皮-上皮串扰缺陷 |
| 应用场景 | 基础研究 | 药物筛选、疾病建模、移植 |
与 Celvivo/ClinoStar 的关联
这项研究使用的旋转培养体系与 ClinoStar 的技术路线高度一致——都需要控制流体剪切力来维持类器官的三维结构和血管网络完整性。血管化类器官对培养环境的机械稳定性要求更高，ClinoStar 的低剪切力环境（<14 mPa）恰好满足这一需求。
论文信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Co-development of mesoderm and endoderm enables organotypic vascularization in lung and gut organoids |
| 期刊 | Cell |
| 发表日期 | 2025年8月7日 |
| DOI | 10.1016/j.cell.2025.05.041 |
| 第一作者 | Yifei Miao (辛辛那提儿童医院 / 中科院) |
| 通讯作者 | Minzhe Guo, Mingxia Gu |
| 合作机构 | 辛辛那提儿童医院 · 中科院 · 哈佛大学 · UCLA · 大阪大学 等 |
| iPSC 细胞系 | 多株（含 ACDMPV 患者来源） |
| 培养天数 | Day 0-21 (体外) + 3个月 (体内移植) |
联系人｜李东伟
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