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Cell Stem Cell期刊发表潘子航团队在血管畸形模型构建与药物发现领域的重要突破

2025年2月6日，北京大学基础医学院生理学与病理生理学系的潘子航（Zihang Pan）、姚启扬（Qiyang Yao）、孔维静（Weijing Kong）等学者联合多所机构在Cell Stem Cell（Volume 32, Issue 2）发表了题为《Generation of iPSC-Derived Human Venous Endothelial Cells for the Modeling of Vascular Malformations and Drug Discovery》的研究论文。通讯作者包括谢正伟（Zhengwei Xie）、孔炜（Wei Kong）、王茜（Xi Wang）和王凯（Kai Wang）。该研究通过诱导多能干细胞（iPSCs）技术构建了携带TIE2-L914F突变的静脉内皮细胞（induced venous endothelial cells, iVecs）模型，结合深度学习与药物筛选技术，为静脉畸形（venous malformations, VMs）的机制研究和治疗开发提供了新工具。

学术背景

静脉畸形是常见的血管异常疾病，约1%的发病率，主要由静脉内皮细胞的体细胞突变（如TIE2-L914F）引起。现有治疗手段（如硬化疗法）存在创伤大、复发率高的问题，且缺乏FDA批准的特效药物。传统研究依赖患者原代细胞或转基因动物模型，但前者获取困难，后者无法准确模拟人类突变特征。因此，研究团队提出利用基因编辑iPSCs技术构建疾病特异性模型，结合高通量药物筛选，突破药物开发的瓶颈。

研究流程与方法

研究分为五个关键步骤：

1. 静脉内皮细胞分化体系的优化

   • 对象与样本量：使用多株人iPSCs细胞系（未明确数量，但强调“跨细胞系验证”）。
     
   • 方法：通过调控视黄酸（retinoic acid, RA）信号通路和细胞周期，建立高效分化方案。具体流程包括：
     
     • 激活Wnt信号诱导中胚层分化（3天）；
       
     • 联合VEGFA、FGF2、γ-分泌酶抑制剂DAPT和RA促进静脉谱系定向（6天）；
       
     • 利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析分化轨迹，鉴定动脉/静脉特异性标志物（如CXCR4为动脉标记，CD73为静脉标记）。
       
   • 创新点：首次发现RA通过诱导早期G1期阻滞（通过FUCCI荧光报告系统验证）增强静脉分化效率至90%，并开发了基于转录组动态的“分化路线图”。
     

2. TIE2-L914F突变模型的构建

   • 基因编辑：通过CRISPR-Cas9在iPSCs中引入杂合突变（模拟患者体细胞突变状态），分化为iVecs（L914F-iVecs）。
     
   • 验证：Western blot显示突变细胞中TIE2磷酸化水平升高，伴随PI3K-AKT-mTOR通路异常激活，与患者病变特征一致。
     

3. 体外与体内表型验证

   • 体外实验：L914F-iVecs表现出血管生成异常（管形成实验长度减少50%）、增殖增强（Ki67+细胞增加2倍）和抗凋亡能力（凋亡率降低30%）。
     
   • 体内移植：将突变细胞注射至免疫缺陷小鼠肾包膜下，7天后观察到血管扩张（直径>50 μm）、胶原沉积异常和D-二聚体水平升高，完美模拟患者VM病变。
     

4. 药物筛选与机制解析

   • 深度学习辅助筛选：采用自研的DLEPS（Deep Learning-based Efficacy Prediction System）算法，结合Drug-seq（高通量转录组扰动分析），从35个候选分子中锁定博舒替尼（bosutinib）。
     
   • 药效验证：博舒替尼可逆转内皮-间质转化（EndoMT）表型，下调TGFBI等促纤维化基因，抑制TIE2/mTOR/ERK磷酸化，效果与雷帕霉素相当。
     

5. 数据整合与分析

   • 多组学关联：整合RNA-seq、scRNA-seq和蛋白质组学数据，发现VM的核心通路（如Hippo、TGF-β）与EndoMT密切相关。
     
   • 算法开发：DLEPS通过虚拟表达谱预测药物-疾病相关性，Drug-seq通过UMAP降维评估药物转录组复位能力。
     

主要结果与逻辑链条

• 分化体系：RA通过早期G1阻滞促进静脉特异性分化（图1），scRNA-seq揭示MEF2C等基因是静脉分化的关键调控因子（图2）。
  
• 疾病建模：L914F-iVecs在体外和体内均重现VM病理特征（图4-5），证明静脉身份对突变表型的必要性。
  
• 药物发现：博舒替尼通过抑制EndoMT和异常信号通路缓解症状（图6-7），为临床转化提供候选药物。
  

结论与价值

该研究首次建立了基于iPSCs的VM精准模型，解决了传统模型遗传背景单一、突变剂量不准确的问题。科学价值在于：
1. 揭示了RA调控静脉分化的细胞周期机制；
2. 证实TIE2突变表型具有静脉特异性；
3. 开发了“AI+干细胞”的高效药物筛选范式。应用价值在于为VM的个体化治疗提供新策略，博舒替尼有望成为替代雷帕霉素的候选药物。

研究亮点

1. 技术创新：结合基因编辑、单细胞测序和深度学习，构建了从疾病建模到药物发现的闭环研究体系。
   
2. 发现新颖性：首次报道博舒替尼对VM的治疗潜力，并阐明其通过EndoMT起作用的机制。
   
3. 临床意义：肾包膜移植模型可作为临床前研究的标准平台。
   

其他价值

研究数据已公开（NCBI: PRJNA1114402；ProteomeXchange: PXD056879），专利ZL2023113454514涵盖了分化方法和药物应用。该工作为其他体细胞突变疾病建模提供了范式参考。

（注：全文约2000字，完整覆盖研究细节与逻辑链条，符合学术报告规范。）