背景介绍

血管是维持机体氧供、营养运输与代谢稳态的核心组织，其功能异常与心血管疾病、糖尿病血管病变、肿瘤血管新生等多种重大疾病密切相关。传统二维细胞培养无法复刻血管的三维层级结构与细胞互作模式，动物模型存在显著的物种差异局限。血管类器官作为三维体外模型，可自组装形成具备内皮管腔、周细胞包被的功能性血管网络，精准模拟人体血管的生理与病理特征。小分子化合物可通过靶向调控 Wnt、TGF-β、Notch 等关键信号通路，高效诱导干细胞定向分化，显著提升血管类器官的分化效率、结构成熟度与功能稳定性，是当前血管类器官培养体系优化的核心手段。

 

图1 血管类器官（NC8）的代表性电子显微图[2]

 

培养方案

本方案基于 2025 年 Abilez 等发表的小分子优化标准化流程，适配人多能干细胞（hPSCs/iPSCs）来源的血管类器官培养。

1. 中胚层诱导（第 0-3 天）：hPSCs 消化为单细胞悬液，通过超低吸附板制备细胞聚集体，加入中胚层诱导培养基。基础培养基为 Neurobasal 与 DMEM/F12 1:1 混合液，核心添加小分子组合：12 μM GSK3 抑制剂 CHIR-99021、50 μM ROCK 抑制剂 Y-27632（Cat# 53006ES或52604ES），同时补充 BMP4，于 37℃、5% CO₂培养箱培养，完成中胚层定向分化。

2. 血管谱系诱导（第 4-12 天）：更换血管诱导培养基，基础培养基不变，添加小分子组合：10 μM TGF-β 抑制剂 SB-431542、2 μM 腺苷酸环化酶激活剂 Forskolin，同时补充 VEGF-A、FGF-2，每 3 天全量换液，诱导内皮细胞与血管壁细胞协同分化。

3. 3D 包埋与成熟培养（第 13-18 天）：将诱导后的细胞聚集体与Matrigel/Ⅰ型胶原按 1:1 比例混合包埋，接种于 24 孔板固化后加入成熟培养基，每 2-3 天半量换液，培养至第 18 天可形成具备分支管腔结构、CD31⁺内皮与 α-SMA⁺周细胞共定位的成熟血管类器官，可稳定传代培养 3 个月以上。

 

图2 单个 hESC-3R 微图案在 16 天（约相当于 3 周的人体体内发育）内分化为包含心肌细胞（绿色）、内皮细胞（橙色）和血管平滑肌细胞（蓝色）的 cVO[1]

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参考文献

[1] Abilez O J, et al. Gastruloids enable modeling of the earliest stages of human cardiac and hepatic vascularization[J]. Science, 2025, 388(6746): 1234-1245. DOI: 10.1126/science.adu9375

[2] Wimmer R A, et al. Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy[J]. Nature, 2019, 565(7740): 505-510. DOI: 10.1038/s41586-019-0903-4