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人类多能干细胞衍生的类器官模拟血脑屏障形成及脑海绵状血管畸形的研究

一、作者与发表信息

本研究由Lan Dao（辛辛那提儿童医院医学中心）、Zhen You（梅奥诊所）、Lu Lu（辛辛那提儿童医院医学中心）、Tianyang Xu（加州大学圣地亚哥分校）等共同主导，通讯作者为Ziyuan Guo（辛辛那提儿童医院医学中心）、L. Frank Huang（梅奥诊所）和Sheng Zhong（加州大学圣地亚哥分校）。研究成果于2024年6月6日发表在《Cell Stem Cell》（DOI: 10.1016/j.stem.2024.04.019）。

二、学术背景

研究领域：神经血管生物学与干细胞医学。
科学问题：血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）是中枢神经系统（CNS）的关键结构，但现有体外模型无法模拟其发育与功能。此外，脑海绵状血管畸形（Cerebral Cavernous Malformations, CCMs）是一种缺乏有效治疗的遗传性脑血管疾病，其分子机制尚不明确。
研究目标：
1. 构建人类多能干细胞（hPSCs）衍生的BBB类器官（BBB assembloids），模拟BBB的分子、细胞和功能特征；
2. 利用患者来源的类器官模型CCMs的病理机制。

三、研究流程与方法

1. 类器官构建与组装
- 脑类器官（Cerebral Organoids）：从hPSCs（H9胚胎干细胞）分化为神经上皮结构，通过优化培养基（添加LIF和1% FBS）促进星形胶质细胞成熟（标志物：GFAP、AQP4）。
- 血管类器官（Blood Vessel Organoids）：通过中胚层诱导（CHIR99021+BMP4）和血管生成因子（VEGF-A、Forskolin）生成CD31+内皮细胞网络，与周细胞（PDGFRβ+）共培养。
- BBB组装体（BBB Assembloids）：将脑类器官与血管类器官在Matrigel中组装，共培养21天形成神经血管单元。

2. 功能验证
- 分子标志物：免疫荧光证实BBB特异性蛋白（GLUT1、Claudin-5、ZO-1）表达，且内皮细胞无外周标志物（PLVAP、ICAM-1）。
- 功能测试：跨内皮电阻（TEER）值达1190.8 Ω·cm²，显著高于血管类器官（168.7 Ω·cm²），接近体内BBB水平。
- 单细胞转录组（scRNA-seq）：分析28,062个细胞，鉴定出神经元、星形胶质细胞、内皮细胞等，且内皮细胞转录谱与小鼠脑内皮数据库（Tabula Muris）高度一致。

3. 机制探索
- Wnt信号通路：通过RNA-seq发现BBB组装体中Wnt通路（Wnt7b、FZD6、LEF1）显著激活，且Wnt激动剂CHIR99021可单独诱导血管类器官表达BBB标志物。
- 空间转录组（HiFi-Slide）：揭示神经元（GABA能、谷氨酸能）与血管细胞（内皮细胞、平滑肌细胞）的空间共定位，支持神经-血管互作。

4. 疾病建模（CCMs）
- 患者来源类器官：利用CCM1突变患者的iPSCs生成BBB组装体，重现海绵状血管畸形（内皮簇集、紧密连接破坏）。
- 单细胞分析：发现CCM内皮细胞中促血管生成基因（如VEGFA受体KDR）上调，且间充质干细胞（MSCs）向血管平滑肌细胞（VSMCs）的分化受阻。

四、主要结果

1. BBB组装体的成功构建：首次在3D类器官中模拟了BBB的分子、功能和转录特征（图2）。
   
2. Wnt通路的核心作用：证实Wnt信号驱动内皮细胞获得BBB特性（图3）。
   
3. CCM病理机制：患者类器官重现了血管畸形，并发现VSMCs发育缺陷和神经-血管互作紊乱（图5-7）。
   
4. 与临床样本的一致性：患者类器官与手术切除的海绵状血管瘤组织表型高度匹配（图5E-H）。
   

五、结论与价值

科学意义：
- 提供了首个可模拟人类BBB发育和功能的3D类器官模型，填补了神经血管研究的技术空白。
- 揭示了CCMs的细胞机制（如VSMCs分化障碍），为靶向治疗提供新思路。
应用价值：
- 可用于高通量药物筛选（如BBB穿透剂或CCM治疗药物）。
- 为其他神经血管疾病（如阿尔茨海默病、自闭症）的研究提供平台。

六、研究亮点

1. 技术创新：结合脑与血管类器官的组装策略，实现了BBB的体外模拟。
   
2. 多组学整合：通过scRNA-seq、空间转录组和功能实验，系统解析了BBB发育机制。
   
3. 疾病建模突破：首次在人类类器官中重现CCMs病理，并发现新的治疗靶点（如VEGF信号）。
   

七、其他价值

• 局限性：类器官缺乏血液循环，未来可通过移植到免疫缺陷小鼠实现血管吻合。
  
• 扩展应用：该平台可用于研究神经退行性疾病中BBB破坏的机制。
  

此研究为神经血管生物学和转化医学提供了重要工具和理论框架。