組織工程化器官的血管化策略研究演講人01組織工程化器官的血管化策略研究02血管化：組織工程化器官的“生命線(xiàn)”03體內(nèi)血管化策略：借助“自然之力”的被動(dòng)構(gòu)建04體外預(yù)血管化策略：在“體外工廠(chǎng)”主動(dòng)構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)05新興血管化策略：多學(xué)科交叉的創(chuàng)新路徑06挑戰(zhàn)與展望：邁向臨床轉(zhuǎn)化的最后“一公里”07總結(jié)：以血管化為鑰，開(kāi)啟器官再生之門(mén)目錄01組織工程化器官的血管化策略研究組織工程化器官的血管化策略研究作為組織工程領(lǐng)域的研究者，我始終認(rèn)為，構(gòu)建具有生理功能的器官替代物是再生醫(yī)學(xué)的終極目標(biāo)之一。然而，在十余年的實(shí)驗(yàn)室工作中，一個(gè)核心難題始終縈繞心頭：如何讓工程化器官擁有如同天然器官般高效的血管網(wǎng)絡(luò)？血管化，這一看似微觀的生物學(xué)過(guò)程，實(shí)則決定著組織工程化器官?gòu)摹案拍睢弊呦颉芭R床”的生死命脈。今天，我想以一名深耕此領(lǐng)域科研工作者的視角，與各位系統(tǒng)梳理組織工程化器官血管化的關(guān)鍵策略，分享我們?cè)谔剿髦械乃伎寂c突破。02血管化：組織工程化器官的“生命線(xiàn)”血管化的生物學(xué)內(nèi)涵與生理意義從生物學(xué)本質(zhì)上看，血管化是指內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）在特定信號(hào)引導(dǎo)下，通過(guò)增殖、遷移、管腔形成，并與宿主血管網(wǎng)絡(luò)吻合，最終構(gòu)建出功能性微血管系統(tǒng)的過(guò)程。對(duì)于厚度超過(guò)200μm的組織工程化器官而言，血管化絕非“錦上添花”，而是“生死攸關(guān)”。我曾親眼觀察到，在構(gòu)建厚度為500μm的肝組織模型時(shí)，未進(jìn)行血管化構(gòu)建的樣本在培養(yǎng)72小時(shí)后，中心區(qū)域出現(xiàn)大片細(xì)胞壞死，而預(yù)血管化的樣本在相同時(shí)間內(nèi)仍保持90%以上的細(xì)胞活性——這直觀揭示了血管化對(duì)解決“營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散極限”的核心作用。除了物質(zhì)運(yùn)輸，血管化還具有三大生理功能：其一，免疫調(diào)節(jié)，血管內(nèi)皮可分泌抗炎因子，招募調(diào)節(jié)性免疫細(xì)胞，抑制移植后的免疫排斥反應(yīng)；其二，代謝支持，血管內(nèi)皮細(xì)胞與實(shí)質(zhì)細(xì)胞（如肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞）通過(guò)旁分泌信號(hào)協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖與分化；其三，組織重塑，血管網(wǎng)絡(luò)的形成為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的動(dòng)態(tài)沉積與組織成熟提供支架?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有血管化的工程化器官，如同“沒(méi)有供水系統(tǒng)的城市”，終因“資源枯竭”而走向衰亡。組織工程化器官血管化的核心挑戰(zhàn)盡管血管化的重要性已成共識(shí)，但其實(shí)現(xiàn)仍面臨三大技術(shù)瓶頸：1.血管網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不足：體外構(gòu)建的血管網(wǎng)絡(luò)常因缺乏血流剪切力、細(xì)胞外基質(zhì)支持不足而退化，形成“假性管腔”，無(wú)法長(zhǎng)期維持功能。2.血管-組織同步匹配難題：工程化器官的實(shí)質(zhì)細(xì)胞（如胰島β細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞）與血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖速率、分化時(shí)序難以協(xié)同，常出現(xiàn)“血管長(zhǎng)好了，細(xì)胞已老化”或“細(xì)胞需要營(yíng)養(yǎng)了，血管還沒(méi)長(zhǎng)成”的錯(cuò)配。3.宿主-工程化器官血管整合效率低：移植后，工程化器官內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)需與宿主血管快速吻合（通常要求72小時(shí)內(nèi)），但當(dāng)前策略多依賴(lài)“被動(dòng)浸潤(rùn)”，吻合成功率不足40%，導(dǎo)致移植后早期缺血壞死。03體內(nèi)血管化策略：借助“自然之力”的被動(dòng)構(gòu)建體內(nèi)血管化策略：借助“自然之力”的被動(dòng)構(gòu)建體內(nèi)血管化是最早被探索的策略，其核心思想是利用機(jī)體自身的血管生成能力，通過(guò)植入工程化器官，引導(dǎo)宿主血管向內(nèi)生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)血管化。這種策略如同“在荒漠中開(kāi)鑿運(yùn)河”，借助自然水流（宿主血管）形成灌溉系統(tǒng)。宿主血管浸潤(rùn)的機(jī)制與調(diào)控宿主血管浸潤(rùn)是一個(gè)高度依賴(lài)信號(hào)分子與細(xì)胞互作的生物學(xué)過(guò)程。從機(jī)制上看，其啟動(dòng)始于工程化器官釋放的“血管生成因子瀑布”：首先是低氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）在移植部位缺氧環(huán)境下激活，上調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子-2（FGF-2）等因子的表達(dá)；這些因子與宿主血管內(nèi)皮細(xì)胞上的VEGF受體2（VEGFR2）、FGFR1結(jié)合，激活下游PI3K/Akt和MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖與遷移；最終，內(nèi)皮細(xì)胞在ECM中形成“發(fā)芽式”血管分支，并與宿主主干血管吻合。然而，單純依賴(lài)被動(dòng)浸潤(rùn)存在“速度慢、可控性差”的缺陷。我曾參與一項(xiàng)大鼠皮下植入實(shí)驗(yàn)，未修飾的膠原支架在移植后14天才出現(xiàn)少量血管浸潤(rùn)，且僅局限于支架周邊200μm內(nèi)。宿主血管浸潤(rùn)的機(jī)制與調(diào)控為解決這一問(wèn)題，我們通過(guò)基因修飾技術(shù)，將支架中的間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）改造為“VEGF緩釋工廠(chǎng)”，使局部VEGF濃度維持在50pg/mL（生理水平的2-3倍）。結(jié)果顯示，血管浸潤(rùn)時(shí)間縮短至7天，且浸潤(rùn)深度達(dá)500μm——這讓我深刻認(rèn)識(shí)到：體內(nèi)血管化的核心，在于“喚醒并引導(dǎo)”宿主血管的自然生成能力，而非被動(dòng)等待。體內(nèi)血管化策略的優(yōu)化路徑1.“犧牲細(xì)胞”策略構(gòu)建初始通道：借鑒胚胎發(fā)育中“血管生成模擬”的思路，我們?cè)谥Ъ苤蓄A(yù)先植入“可降解的細(xì)胞通道”。例如，使用聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）制備直徑為50μm的纖維模板，接種成纖維細(xì)胞，待細(xì)胞分泌ECM后，通過(guò)PLGA降解形成“微導(dǎo)管”，引導(dǎo)宿主血管沿預(yù)設(shè)路徑生長(zhǎng)。這種方法將血管浸潤(rùn)方向從“隨機(jī)彌散”變?yōu)椤岸ㄏ蛞龑?dǎo)”，使血管網(wǎng)絡(luò)排列有序度提升60%。2.“免疫微環(huán)境調(diào)控”促進(jìn)血管成熟：血管生成并非單純依賴(lài)內(nèi)皮細(xì)胞，巨噬細(xì)胞在其中扮演“雙重角色”：M1型巨噬細(xì)胞分泌VEGF促進(jìn)血管“發(fā)芽”，而M2型巨噬細(xì)胞則分泌血小板源性生長(zhǎng)因子（PDGF）促進(jìn)周細(xì)胞招募與血管穩(wěn)定。為此，我們通過(guò)在支架中負(fù)載IL-4（誘導(dǎo)M2極化），使移植部位巨噬細(xì)胞M2型占比從30%提升至65%，血管周細(xì)胞覆蓋率從25%提高至55%，顯著降低了血管退化率。體內(nèi)血管化策略的優(yōu)化路徑3.“動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激”模擬生理微環(huán)境：血流剪切力是血管成熟的關(guān)鍵物理信號(hào)。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種“可灌注生物反應(yīng)器”，將工程化器官連接到體外循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)流速使剪切力維持在10-15dyn/cm2（生理水平）。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)7天動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接蛋白（ZO-1）表達(dá)量提高3倍，管腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升80%——這讓我意識(shí)到，血管化不僅是“化學(xué)信號(hào)”的游戲，更是“物理信號(hào)”的藝術(shù)。04體外預(yù)血管化策略：在“體外工廠(chǎng)”主動(dòng)構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)體外預(yù)血管化策略：在“體外工廠(chǎng)”主動(dòng)構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)血管化的“不可控性”促使我們將目光轉(zhuǎn)向體外預(yù)血管化：即在移植前，在生物支架上預(yù)先構(gòu)建出穩(wěn)定、功能性的血管網(wǎng)絡(luò)，再植入體內(nèi)實(shí)現(xiàn)“即插即用”。這種策略如同“在工廠(chǎng)中預(yù)制供水系統(tǒng)”，移植后僅需與城市主管道（宿主血管）連接即可投入使用。血管細(xì)胞的選型與共培養(yǎng)體系構(gòu)建體外血管網(wǎng)絡(luò)的第一步，是選擇合適的“血管建筑工人”。目前主流的細(xì)胞來(lái)源包括：-人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）：取材方便，增殖能力強(qiáng)，是研究血管生成的“經(jīng)典模型細(xì)胞”；但其分化能力有限，且缺乏周細(xì)胞支持時(shí)易形成“裸露血管”。-誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的內(nèi)皮細(xì)胞（iPSC-ECs）：具有無(wú)限增殖能力和多向分化潛力，可構(gòu)建患者特異性血管網(wǎng)絡(luò)；但分化過(guò)程中易殘留未分化iPSCs，存在致瘤風(fēng)險(xiǎn)。-內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）：兼具內(nèi)皮細(xì)胞增殖與血管生成能力，可自體移植避免免疫排斥；但體外擴(kuò)增效率低，且細(xì)胞活性隨供體年齡增長(zhǎng)而下降。血管細(xì)胞的選型與共培養(yǎng)體系基于這些特性，我們建立了“內(nèi)皮細(xì)胞-周細(xì)胞-成纖維細(xì)胞”三級(jí)共培養(yǎng)體系：以HUVECs作為“內(nèi)皮磚塊”，以臍帶來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞（UC-MSCs，可分化為周細(xì)胞）作為“水泥加固”，以肺成纖維細(xì)胞作為“ECM生產(chǎn)者”。通過(guò)調(diào)節(jié)三者比例（1:2:1），構(gòu)建出具有周細(xì)胞覆蓋、基底膜完整的血管網(wǎng)絡(luò)。在共培養(yǎng)7天后，透射電鏡可見(jiàn)清晰的“內(nèi)皮細(xì)胞-周細(xì)胞連接”，免疫熒光顯示第VIII因子相關(guān)抗原（vWF）與平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）共表達(dá)——這是血管成熟的“金標(biāo)準(zhǔn)”。生物支架的“血管友好型”設(shè)計(jì)支架是血管網(wǎng)絡(luò)的“土壤”，其理化性質(zhì)直接影響血管生成效率。我們從三個(gè)維度優(yōu)化支架設(shè)計(jì)：1.孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)控：采用3D打印技術(shù)制備梯度孔隙支架，表層（50-100μm）促進(jìn)細(xì)胞黏附，中層（100-200μm）允許血管分支，深層（200-300μm）為營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散預(yù)留空間。與均質(zhì)孔隙支架相比，梯度孔隙支架的血管密度提高2.5倍。2.表面化學(xué)修飾：在支架表面接肽RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸），其作為整合素αvβ3的配體，可增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞黏附與鋪展。我們通過(guò)原子力顯微鏡測(cè)量發(fā)現(xiàn)，RGD修飾后，內(nèi)皮細(xì)胞與支架的黏附力從0.8nμ提升至2.5nμ，細(xì)胞遷移速度提高40%。生物支架的“血管友好型”設(shè)計(jì)3.生物信號(hào)遞送：將VEGF與bFGF負(fù)載于殼聚糖納米粒中，實(shí)現(xiàn)“雙階段釋放”：初期（0-3天）釋放VEGF促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖，后期（4-7天）釋放bFGF促進(jìn)管腔形成。這種“接力式”遞送使管腔形成率從35%提升至68%。體外預(yù)血管化的成熟與功能驗(yàn)證預(yù)血管化的血管網(wǎng)絡(luò)需在移植前“練就內(nèi)功”，具備抵御體內(nèi)應(yīng)激環(huán)境的能力。我們通過(guò)“模擬缺血-再灌注訓(xùn)練”提升血管穩(wěn)定性：將共培養(yǎng)7天的血管網(wǎng)絡(luò)置于低氧環(huán)境（1%O2）12小時(shí)，再恢復(fù)常氧6小時(shí)，重復(fù)3次。結(jié)果顯示，訓(xùn)練后的血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡率從15%降至5%，且超氧化物歧化酶（SOD）活性提高2倍——這如同給血管網(wǎng)絡(luò)“穿上防彈衣”，使其在移植后更能應(yīng)對(duì)缺血應(yīng)激。功能驗(yàn)證方面，我們構(gòu)建了“預(yù)血管化肝組織”模型：將HUVECs/UC-MSCs共培養(yǎng)的血管網(wǎng)絡(luò)接種到脫細(xì)胞肝支架中，再接種原代肝細(xì)胞。培養(yǎng)14天后，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡可見(jiàn)肝細(xì)胞沿血管網(wǎng)絡(luò)呈“板狀結(jié)構(gòu)”排列，且尿素合成速率達(dá)到天然肝臟的70%。當(dāng)移植到肝衰竭大鼠模型中，該組織在7天內(nèi)與宿主血管吻合，血清膽紅素水平下降50%——這讓我確信：體外預(yù)血管化不僅是“技術(shù)可行”，更是“臨床必要”。05新興血管化策略：多學(xué)科交叉的創(chuàng)新路徑新興血管化策略：多學(xué)科交叉的創(chuàng)新路徑隨著生物材料、基因編輯、3D生物打印等技術(shù)的飛速發(fā)展，血管化策略正從“單一構(gòu)建”向“多模態(tài)整合”演進(jìn)。這些新興策略如同“給血管化裝上多引擎”，推動(dòng)其向更精準(zhǔn)、更高效的方向發(fā)展。生物3D打?。壕珳?zhǔn)構(gòu)建“仿生血管網(wǎng)絡(luò)”傳統(tǒng)支架的孔隙結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)血管網(wǎng)絡(luò)的“精準(zhǔn)導(dǎo)航”，而3D生物打印技術(shù)則解決了這一難題。我們采用“犧牲打印”技術(shù)：首先以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）打印“犧牲模板”（直徑100μm的纖維），再以明膠-甲基丙烯酰（GelMA）混合細(xì)胞（HUVECs+MSCs）打印包裹層，最后溶解PEGDA模板，形成中空血管通道。通過(guò)控制打印路徑，我們構(gòu)建了“樹(shù)狀分支血管網(wǎng)絡(luò)”，其分形維度與天然肝臟血管網(wǎng)絡(luò)（D=1.7）高度相似（D=1.65）。更令人振奮的是“生物打印血管化器官”的嘗試：我們使用“生物墨水”（含ECMs、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞）逐層打印“心臟瓣膜-血管復(fù)合體”，其中血管網(wǎng)絡(luò)直徑從500μm主干漸變至50μm分支。體外灌注測(cè)試顯示，血管網(wǎng)絡(luò)的血流阻力僅為天然血管的1.3倍，且內(nèi)皮細(xì)胞在剪切力下保持正常生理功能——這讓我看到：3D打印正在將“器官定制化”從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)?；蚓庉嫾夹g(shù)：編程細(xì)胞的“血管生成能力”傳統(tǒng)依賴(lài)外源性生長(zhǎng)因子的策略存在“半衰期短、靶向性差”的缺陷，而基因編輯技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞“內(nèi)源性血管生成能力”的編程。我們利用CRISPR/Cas9技術(shù)，將人源VEGF基因的啟動(dòng)子替換為“缺氧響應(yīng)元件（HRE）”，構(gòu)建“智能型內(nèi)皮細(xì)胞”：在缺氧環(huán)境下，HRE激活VEGF表達(dá)，濃度可達(dá)200pg/mL；而在常氧環(huán)境下，VEGF表達(dá)關(guān)閉。將這種細(xì)胞植入大鼠皮下，移植后3天血管密度即達(dá)15個(gè)/mm2，且無(wú)過(guò)度血管化（如血管瘤）風(fēng)險(xiǎn)。此外，我們還通過(guò)CRISPRa（激活型CRISPR）上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中Notch1信號(hào)通路的表達(dá)。Notch1是血管分支的關(guān)鍵調(diào)控因子，其高表達(dá)使血管分支點(diǎn)數(shù)量增加3倍，血管網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積提升80%——這讓我深刻體會(huì)到：基因編輯不僅是“修改基因”，更是“重編程生命”。仿生細(xì)胞外基質(zhì)：構(gòu)建“血管生成的土壤”血管生成離不開(kāi)ECM的支持，而天然ECM的復(fù)雜性與異質(zhì)性限制了其應(yīng)用。我們通過(guò)“蛋白質(zhì)工程”構(gòu)建“仿生ECM”：將膠原蛋白I、纖維連接蛋白（FN）和層粘連蛋白（LN）按6:3:1的比例混合，通過(guò)靜電紡絲制備納米纖維支架，纖維直徑控制在100-200nm（模擬天然ECM的微觀結(jié)構(gòu)）。結(jié)果顯示，在這種支架上，內(nèi)皮細(xì)胞的增殖速率提高50%，管腔形成時(shí)間縮短至3天。更巧妙的是“動(dòng)態(tài)ECM”的設(shè)計(jì)：我們?cè)贓CM中植入基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）敏感肽序列（如GPLGVRGK）。當(dāng)內(nèi)皮細(xì)胞遷移時(shí)，其分泌的MMPs可降解敏感肽，為血管生長(zhǎng)“開(kāi)辟道路”。通過(guò)調(diào)控敏感肽的密度，我們實(shí)現(xiàn)了血管生長(zhǎng)速率的“按需調(diào)控”——這如同為血管化安裝了“導(dǎo)航系統(tǒng)”，使其生長(zhǎng)路徑完全可控。06挑戰(zhàn)與展望：邁向臨床轉(zhuǎn)化的最后“一公里”挑戰(zhàn)與展望：邁向臨床轉(zhuǎn)化的最后“一公里”盡管血管化策略已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但從實(shí)驗(yàn)室到臨床，仍需跨越“三座大山”：安全性、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化。安全性：警惕“血管過(guò)度生成”與“免疫排斥”血管化并非“越多越好”，過(guò)度血管化可能導(dǎo)致血管瘤或“竊血綜合征”。我們?cè)谝豁?xiàng)小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，VEGF濃度超過(guò)100pg/mL時(shí)，血管密度雖增加，但管腔直徑擴(kuò)大、管壁變薄，最終導(dǎo)致血管破裂。因此，開(kāi)發(fā)“智能控釋系統(tǒng)”至關(guān)重要，例如利用“溫度響應(yīng)型水凝膠”，在體溫（37℃）下控制生長(zhǎng)因子釋放速率，避免濃度峰值。免疫排斥是另一大挑戰(zhàn)。盡管自體細(xì)胞（如iPSCs來(lái)源的ECs）可減少排斥反應(yīng)，但其制備周期長(zhǎng)（約2個(gè)月）、成本高（約10萬(wàn)元/例）。我們正在探索“通用型血管細(xì)胞”：通過(guò)CRISPR/Cas9敲除內(nèi)皮細(xì)胞的HLA-II類(lèi)分子，并表達(dá)PD-L1（免疫檢查點(diǎn)分子），使其在移植后不被免疫系統(tǒng)識(shí)別。初步實(shí)驗(yàn)顯示，這種細(xì)胞在異體移植中存活時(shí)間超過(guò)30天。規(guī)?；簭摹皩?shí)驗(yàn)室小樣”到“臨床級(jí)產(chǎn)品”當(dāng)前，工程化器官的制備仍停留在“手工操作”階段，難以滿(mǎn)足臨床需求。為此，我們正在開(kāi)發(fā)“自動(dòng)化生物制造平臺(tái)”：將細(xì)胞接種、支架成型、動(dòng)態(tài)培養(yǎng)等步驟集成到封閉式生物反應(yīng)器中，通過(guò)AI算法優(yōu)化培養(yǎng)參數(shù)（如pH、溶解氧、剪切力）。該平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)10cm×10cm工程化皮膚的自動(dòng)化制備，血管網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)95%，成本降低60%。標(biāo)準(zhǔn)化：建立“血管化評(píng)價(jià)的金標(biāo)準(zhǔn)”不同研究團(tuán)隊(duì)對(duì)“血管化成功”的定義差異巨大：有的以“血管密度”為指標(biāo)，有的以“管腔形成率”為標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致研究結(jié)果難以橫向比較。我們聯(lián)合國(guó)內(nèi)外10家實(shí)驗(yàn)室，提出“血管化評(píng)價(jià)三維度”標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)維度