《Cell》单细胞多组学解析人血管类器官发育：命运转变、疾病建模与研究新突破

在人体中，血管如同纵横交错的 “生命之河”，对各个组织的正常发育和功能维持起着至关重要的作用。一旦血管出现问题，就像河流堵塞或决堤，会引发多种严重影响健康的疾病。为了深入了解血管的奥秘，建立准确的人类疾病模型，探索有效的治疗方法，研究人员一直在不懈努力。然而，目前对于血管发育的调控机制，尤其是人类血管发育过程中的转录调控网络，仍存在许多未知。而且现有的研究大多基于动物模型，缺乏能够真实反映人类血管发育和疾病的模型系统。

在这样的背景下，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、奥地利科学院分子生物技术研究所等机构的研究人员开展了一项重要研究。他们以人血管类器官（hBVO）为研究对象，旨在揭示 hBVO 发育过程中的细胞命运和状态转变，探索其在研究人类血管发育和疾病方面的潜力。这项研究成果发表在《Cell》杂志上，为该领域带来了新的突破和希望。

研究人员在该研究中主要运用了单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）、单细胞多组学测序（scMulti - ome，包括 scRNA-seq 和 scATAC-seq）、基因编辑（如 CRISPR-Cas9 技术构建 MECOM 基因敲除（KO）细胞系）、类器官移植（将 hBVO 移植到免疫缺陷小鼠体内）等技术方法。样本来源于多种人类多能干细胞系，如人类胚胎干细胞（hESCs）系 H9 和人类诱导多能干细胞（hiPSCs）系 NC8 等。

下面介绍该研究的具体结果：

1. 单细胞转录组分析 hBVO 发育：研究人员通过 scRNA-seq 对 hBVO 发育过程进行了全面的单细胞转录组分析。他们发现，中胚层祖细胞在体外会分化为内皮细胞和壁细胞，并且在发育过程中，不同细胞类型的基因表达发生动态变化。例如，内皮细胞主调节因子 ETV2 的表达在发育早期达到峰值，随后逐渐下降，而其他内皮细胞分化相关基因如 KDR、NR2F2 等则在后期逐渐上调。通过这些研究，详细描绘了 hBVO 发育过程中的细胞异质性、分化轨迹和谱系关系。

2. 人 BVO 移植促进动静脉分化：将 hBVO 移植到免疫缺陷小鼠的肾脏下，研究人员发现移植后的 hBVO 中的内皮细胞进一步成熟，出现明显的动脉和静脉分化，并且细胞信号传导也发生了变化，更接近体内原生组织的血管内皮细胞。这表明 hBVO 具有向成熟血管细胞分化的潜力，为研究血管成熟机制提供了新的模型。

3. scMulti-ome 分析和 CRISPR 扰动揭示细胞命运调控因子：利用 scMulti-ome 技术，研究人员对 hBVO 分化过程中的细胞进行了深入分析，推断出基因调控网络（GRN），确定了参与内皮细胞和壁细胞命运决定的关键转录因子（TFs）和受体。同时，通过 CRISPR-Cas9 介导的基因扰动实验，发现 MECOM 基因在壁细胞和内皮细胞的表型承诺中发挥重要作用，敲除 MECOM 基因会导致壁细胞向肌成纤维细胞样细胞转化，内皮细胞的动脉和静脉相关基因表达发生改变。

4. VEGF 和 Notch 通路的调控影响 EC 状态：研究人员对 VEGF 和 Notch 通路进行了药理学扰动研究。结果表明，这两条通路的变化会显著影响 hBVO 中内皮细胞的分化、增殖和动脉 - 静脉样细胞状态的比例。例如，Notch 抑制会导致内皮细胞间粘附分子表达下降，细胞增殖增加，并且改变动脉和静脉相关基因的表达，进一步证实了这两条通路在血管发育中的重要作用。

5. 诱导 hBVO 表达脑特异性特征：通过与人类发育的单细胞转录组参考图谱比较，研究人员发现 hBVO 与大脑血管的相似度较低。随后，他们通过添加小分子和过表达特定转录因子进行实验，发现诱导 LEF1 过表达可以使 hBVO 更接近胎儿大脑血管内皮细胞的转录组特征，为构建具有特定器官特异性的血管类器官提供了新的思路。

6. 评估 hBVO 在血管疾病建模中的应用：研究人员将与血管疾病相关的基因突变映射到 hBVO 细胞上，发现 hBVO 能够模拟糖尿病等疾病状态下内皮细胞和壁细胞的变化。在糖尿病条件下，hBVO 内皮细胞中与糖尿病相关的基因表达上调，线粒体功能下降；壁细胞中则出现胶原蛋白和 SMC 标记基因的上调，这些变化与临床疾病特征相符，表明 hBVO 可作为研究血管疾病的有效模型。

在研究结论和讨论部分，研究人员通过全面的单细胞多组学分析和多种实验技术，为 hBVO 的发育过程绘制了详细的细胞状态图谱，揭示了其在模拟人类血管发育和疾病方面的巨大潜力。研究发现的基因调控网络和关键调控因子，为进一步理解血管发育机制提供了重要线索。同时，hBVO 在疾病建模中的应用，为研究血管疾病的发病机制和开发新的治疗方法提供了有力工具。然而，该研究也存在一些局限性，如 hBVO 培养方案较为繁琐，CRISPR-Cas9 技术存在脱靶效应等。尽管如此，这项研究依然为人类血管发育和疾病研究奠定了坚实的基础，为未来的研究开辟了新的方向，有望推动相关领域的进一步发展。