Science子刊-暨大附一院构建血-视网膜屏障类器官

 

题目：基于PDMS微孔平台的含微胶质细胞的血管化视网膜类器官生成

英文题目：Generation of vascularized retinal organoids containing microglia based on a PDMS microwell platform

杂志：Science advances

影响因子：12.5

PMID：41071880

发表时间：2025年10月

Part.01

研究背景

视网膜类器官作为源自人多能干细胞的三维模型，在模拟人类视网膜发育与疾病方面展现出巨大潜力。然而，现有模型普遍缺乏血管系统和固有的免疫细胞（小胶质细胞），这限制了其在研究视网膜血管性疾病（如糖尿病视网膜病变）及神经血管相互作用方面的应用。

血管与神经视网膜分别起源于中胚层与外胚层，导致视网膜类器官自发血管化困难。先前尝试通过共培养内皮细胞引入血管的方法，往往仅能形成简单的内皮管状结构，缺乏周细胞等支持细胞，且未能成功引入功能性小胶质细胞。

因此，开发一种能够整合血管网络与小胶质细胞、并具备血-视网膜屏障特性的视网膜类器官模型，已成为该领域亟待解决的关键挑战，对于深入探究视网膜病理生理机制及开发新的治疗策略至关重要。

Part.02

研究思路

本研究通过V形底PDMS微孔平台，分别诱导iPSC生成视网膜类器官和血管类器官，并将二者在微孔中进行精准共培养与融合，从而构建出包含血管网络和小胶质细胞的血管化视网膜类器官，并系统验证其结构、功能及对炎症刺激的响应，以模拟体内视网膜的复杂微环境。

Part.03

主要研究结果

1. 血管类器官的生成与表征

基于V形底PDMS微孔平台，本研究成功生成了结构完整、功能健全的人类血管类器官。该模型表现出高度的均一性（直径变异系数11.980%），并形成具有典型血管网络结构的微血管系统（血管面积37.450%，血管长度24.850mm）（图1A-B）。

图1

免疫荧光染色证实其包含CD31阳性内皮细胞、PDGFβ阳性周细胞及胶原IV阳性基底膜，且功能实验显示内皮细胞具备高效的DiI-Ac-LDL摄取能力，充分验证了该血管类器官的生理相关性及功能性（图1I-J）。

图1

2. 使用V形底PDMS微孔平台建立血管化视网膜类器官

本研究成功利用V形底PDMS微孔平台，构建了能够长期存活且结构完整的血管化视网膜类器官（vRO）。在共培养30至60天后，vRO中心形成了由CD31阳性内皮细胞和PDGFβ阳性周细胞组成的管状血管结构，其直径（6.36±1.51 μm）与人类视网膜毛细血管相符（图2C-E）。

图2

更重要的是，该模型在长期培养至180天时仍能同时保有血管网络以及视杆细胞、视锥细胞等光感受器细胞，且血管位于光感受器层之下，再现了体内视网膜中深层毛细血管的解剖学特征（图3）。

图3

3. 血管化视网膜类器官与普通视网膜类器官的转录组分析

转录组分析结果表明，与普通视网膜类器官相比，血管化视网膜类器官在基因表达谱上存在显著差异。其上调的基因显著富集于血管生成、免疫反应和小胶质细胞相关的生物学过程（图4D-F）。

图4

RT-qPCR进一步证实，vRO中与血管生成、免疫应答及小胶质细胞功能相关的关键基因表达均显著上调（图4G-I）。这些分子证据共同表明，血管的引入不仅赋予了RO血管结构，更激活了与之相关的关键生物学程序，使vRO成为一个更具生理相关性的模型。

图4

4. 生成含有小胶质细胞的血管类器官

本研究生成的血管类器官（VO）内天然含有功能性的小胶质细胞。免疫荧光染色和基因表达分析证实，VO中存在IBA1阳性的小胶质细胞，其中约86%的细胞呈阿米巴样形态，并定位于血管周围，模拟了体内的分布特征（图5B-C）。

图5

使用CSF1R抑制剂PLX5622处理后，VO中的IBA1阳性细胞绝大部分被清除，证实了这些细胞是依赖于CSF1R信号通路存活的小胶质细胞（图5D）。

图5

当用LPS刺激VO时，小胶质细胞被激活，导致炎症因子（TNF-α, IL-8）和自身标志物（AIF1）的基因表达显著上调；此反应在PLX5622预处理后被抑制，证明该免疫响应由VO中的小胶质细胞介导（图5F）。

图5

5. 在血管化视网膜类器官中生成能响应炎症刺激的小胶质细胞

血管类器官中的小胶质细胞能够在与视网膜类器官融合后，迁移并整合到血管化视网膜类器官中，并展现出成熟的功能性免疫应答能力。通过使用GFP标记的血管类器官，证实血管化视网膜类器官中约96%的小胶质细胞来源于共培养的血管类器官，而非视网膜类器官自身（图6A-B）。

图6

小胶质细胞成功迁移至血管化视网膜类器官内，并与视网膜神经元共存；部分细胞展现出分支状形态，提示其向静息态或组织驻留态分化（图6D）。

图6

经LPS刺激后，含有小胶质细胞的血管化视网膜类器官表现出强烈的炎症反应，其促炎因子（TNF-α, IL-8）与抗炎因子（IL-10, IL-13）的基因表达均显著上调，证明其具备复杂的免疫调节功能（图6E）。

图6

6. 血管化视网膜类器官展现出类似内血-视网膜屏障的特征

本研究生成的血管化视网膜类器官成功模拟了体内内血-视网膜屏障的关键结构和细胞组成。vRO中的CD31阳性血管结构表达紧密连接蛋白Claudin-5，但不表达窗孔标志物PLVAP，这与具有屏障功能的视网膜血管特征一致。且vRO中Claudin-5的荧光强度显著高于单独的VO，表明与视网膜组织共培养增强了屏障特性（图7A-D）。

图7

vRO中的血管结构被PDGFβ阳性的周细胞所包裹，并且与IBA1阳性的小胶质细胞紧密关联，共同形成了一个由内皮细胞、周细胞和免疫细胞组成的类神经血管单元结构（图7E-G）。

图7

小结

本研究成功基于V形底PDMS微孔平台，通过将视网膜类器官与血管类器官共培养，构建出包含功能血管网络与小胶质细胞的血管化视网膜类器官。

该模型在体外长期稳定，其血管表达Claudin-5并形成血-视网膜屏障结构，且内置小胶质细胞具备免疫应答能力，为视网膜血管疾病研究与药物筛选提供了高度仿生的体外模型。

参考文献

Chen H, Liang Y, Sun X, Xiong W, Yang T, Liang Y, Ye X, Li X, Wang W, Gu J, Zhang J, Chen L, Chan HF, Chen J. Generation of vascularized retinal organoids containing microglia based on a PDMS microwell platform. Sci Adv. 2025 Oct 10;11(41):eady6410. doi: 10.1126/sciadv.ady6410IF: 12.5 Q1 .

来源：类器官学社