Nature：有史以来“最逼真”糖尿病血管病变模型的建立

文章详情：科研猫 糖尿病影响着全球数亿人的健康，其可引发多种严重并发症，如失明、肾衰竭、心脏病发作、中风和截肢，究其原因是血管病变所致，如血管基底膜的扩张和血管细胞的丢失。糖尿病还会损害内皮细胞的功能，扰乱内皮细胞与周皮细胞的通讯。

该研究报道了通过诱导多能干细胞自发形成的三维人血管类似物。该类血管模型包含内皮细胞和周细胞，它们可以自发组装成毛细血管网络，并由基底膜包裹。移植到小鼠体内的类血管可在动脉、小动脉和静脉形成稳定的灌注血管树。

体外实验证明，该类血管暴露于高血糖和炎症细胞因子时，其血管基底膜会增厚。在小鼠体内实验中，暴露于糖尿病环境中的类血管，也可模拟糖尿病患者的微血管变化。该研究证实NOTCH3及其配体DLL4是糖尿病人血管病变的关键驱动因子。因此，来自人类干细胞的类血管模型成功地再现了人类血管的结构和功能，是可以真实模拟糖尿病血管病变的系统。

* 周细胞嵌入毛细血管内皮细胞的基膜中，通过物理接触和旁分泌信号与内皮细胞进行细胞通讯，监视和稳定内皮细胞的成熟过程。

传统建模：共培养技术-- iPS（诱导型多能干细胞）来源的内皮细胞+周细胞/早期血管细胞--建立血管网络

该模型：多步骤自发形成的三维类血管模型

类血管模型的体外验证

1）电镜证实了管腔、基底膜和内皮细胞之间存在典型的紧密连接

2）血管内皮尖端细胞的CD31+丝状伪足提示新生血管的形成（共聚焦技术）

3）基因表达谱分析证实内皮细胞、周细胞功能的成熟。

类血管模型的体内验证

1）体外建模，移植入NSG小鼠（免疫缺陷）肾被膜下（存活期6个月以上）

2）荧光抗体（抗CD31）灌注显示：人血管与小鼠血管功能连接正常

3）组织学切片分析显示移植物细胞在体内分化为动脉、小动脉、毛细血管和静脉

4）血管模型的经基因编辑用荧光蛋白基因标记（BFP&RFP），分析显示在小鼠体内成功建立了人源性的血管树

类血管（高糖诱导）vs糖尿病人血管 体外实验

1）T2D患者：真皮微血管增厚、洋葱皮样分层，基底膜分裂；炎症状态，TNF和IL-6水平升高

2）高糖诱导类血管模型后：IV型胶原增厚、TNF和IL-6升高、周细胞细胞外基质合成增加、血管增厚和基底膜分层（电镜）

3）传统共培养模型未发现IV型胶原的合成增加

4）糖尿病血管模型的内皮细胞与周细胞比例降低，内皮细胞和周细胞的绝对数量减少

5）糖尿病病人内皮细胞（vs正常人）改变主要表现在胶原合成和胞外基质合成

链霉素诱导移植鼠产生糖尿病

体内实验

1）体内试验发现，糖尿病小鼠体内，人源血管的基底膜明显增厚，而鼠源血管的基底膜无明显变化。

2）此外，人源血管还显示出其他糖尿病性血病变，如血管退化和内皮细胞丢失

糖尿病治疗药物对血管病变的疗效

体外实验

1）该研究的所有药物对该类血管模型的基底膜增厚均无改善作用

2）阻断与糖尿病血管并发症有关的信号通路后，γ-分泌酶抑制剂DAPT可以明显消除IV胶原的增厚、恢复内皮细胞的增殖

体内试验

1) DAPT在体内对糖尿病小鼠血管基底膜的增厚有明显的改善作用

2)DAPT可以补救血管渗漏

3)还可以挽救糖尿病小鼠CD31+内皮细胞的丢失

探究判断DAPT作用靶点

1）糖尿病并发症与Notch通路密切相关

2）阻断Notch配体发现，阻断DLL4和NOTCH3可阻止血管基底膜增厚

3）使用CRISPR-Cas9生成DLL4和NOTCH3突变血管基底膜的扩张明显减少

4）在移植小鼠类血管模型中，NOTCH3及其下游靶点HES5和HEY1主要在SMA+周细胞中表达，且糖尿病小鼠中HES5表达增加。

5）与移植的血管模型类似，在来自T2D患者和健康个体的真皮血管中，NOTCH3和HES5也主要表达于周细胞;在T2D患者的真皮毛细血管中，周细胞中HES5表达也是增加的。

结论：在体内阻断NOTCH3通路可以缓解糖尿病小鼠血管基底膜的病变

综上：

该研究报道了来自iPS细胞和胚胎干细胞的自发形成的三维类人血管模型，它们具有人体微血管的形态、功能和分子特征。动物活体灌注后形成的人血管模型中，类血管分化成小动脉、毛细血管和小静脉，这一系统可用于模拟糖尿病微血管病变的结构和功能。

γ-分泌酶的作用靶点NOTCH3及其配体DLL4被确定为基底膜的增厚的关键媒介。体内试验证明γ-分泌酶抑制剂以及NOTCH3抑制剂均可明显减轻微血管疾病。内皮细胞和周细胞之间复杂的相互作用，是引发糖尿病血管基底膜增厚的重要原因。

该研究很重要的一点是，在移植物糖尿病小鼠和T2D患者中，在人血管的周细胞中均发现了Notch作用靶点HES5的表达增加，为糖尿病相关血管病变研究指明了方向。

该类血管的体内模型可用于识别糖尿病血管变化的相关通路，并开发减轻糖尿病微血管变化的药物。