中内胚层共分化介导的肺与肠道类器官血管化：器官特异性特征、功能验证及疾病建模应用

肺和肠道类器官作为体外研究器官发育与疾病的核心模型，长期受限于缺乏功能性器官特异性血管网络与间质：传统类器官要么血管稀疏且无器官特异性，要么依赖复杂操作无法模拟体内中胚层(血管 / 间质)与内胚层(上皮)的协同发育，肺类器官难以形成肺泡毛细血管界面，肠道类器官血管功能与生理需求不匹配，且均无法复现细胞间旁分泌调控，严重限制其在疾病建模与药物筛选中的应用。本研究通过中胚层与内胚层共分化，利用 BMP 信号调控两者比例，构建具有器官特异性血管和间质的肺 / 肠道类器官，解决成熟度与功能难题。

来自美国辛辛那提儿童医院医学中心、哈佛医学院、加州大学洛杉矶分校的团队在《Cell》上发表题为Co-development of mesoderm and endoderm enables organotypic vascularization in lung and gut organoids的研究，核心是在同一拟胚体中同步诱导中胚层与内胚层，通过 BMP4 调控两者比例(第 0-1 天低浓度促前肠命运、第 0-3 天持续促后肠命运)，结合 Activin A 维持定型内胚层、CHIR 激活 WNT 信号，经原始肠管定型(Day3-7)与终末分化(Day7-21)生成血管化肺类器官(vHLPO)、肠道类器官(vHIO)、结肠类器官(vHCO)，其中 vHLPO 的 EC 高表达肺毛细血管标志物且屏障功能强，vHIO 的 EC 高表达肠道标志物且通透性高，还筛选出器官特异性 EC 诱导配体，类器官在体外可形成肺泡结构、体内移植能与宿主血管连接，且利用 FOXF1 突变患者 iPSC 成功模拟 ACDMPV 病理特征。

关键结果

图 1：BMP 调控中内胚层共分化与血管化类器官生成

该图核心验证 BMP 信号对中内胚层比例及类器官血管化的调控：(A)流程示意图：从 iPSC 构建 EB，经中内胚层诱导(Day0-3)、原始肠管定型(Day3-7)、终末分化(Day7-21)生成 vHLPO/vHIO;(B)Day3 spheroid 免疫荧光显示，BMP4 处理 0-1 天促进 FOXA2⁺DE(内胚层)与 HAND1⁺侧中胚层(中胚层)平衡，持续 BMP4(0-3 天)抑制 DE;(C-E)Day7 vAFG/vMHG 免疫荧光：vAFG 高表达 SOX2(前肠)与 PECAM1(内皮)，vMHG 高表达 CDX2(中后肠)，且血管比例(PECAM1⁺)达 10%(对照组 < 1%);(F-J)Day21 vHLPO 特征：NKX2.1⁺肺上皮与 PECAM1⁺血管交织，血管整合指数(上皮到血管最短距离)与 E12.5 小鼠肺相当，类器官直径较对照组增大 60%;(K-S)scRNAseq 显示 Day3 DE 亚群的 BMP 驱动分数与前后轴(A-P)分数正相关，证明 BMP4 早期即决定肠管 A-P 命运(前肠→肺，后肠→肠道)。

图 2：器官特异性内皮细胞的分子与功能特征

该图聚焦血管化类器官 EC 的器官特异性：(A)Day21 类器官 scRNAseq 聚类：EC、上皮、间质、增殖细胞清晰分离，EC 占比 vHLPO 达 7%、vHIO 达 9%(传统类器官 < 0.4%);(B)细胞组成对比：vHLPO/vHIO 的 EC 比例、上皮纯度(vHLPO 肠道上皮污染 < 1%，传统类器官 34.5%)与人类胎儿肺 / 肠道高度一致;(C-D)器官特异性 EC 标志物：肺 EC 高表达 HPGD/FENDRR，肠道 EC 高表达 IGFBP7/STAB1，UMAP 显示两者无重叠;(E-F)Day40 成熟验证：smFISH 显示 vHLPO 的 EC 持续表达 HPGD，vHIO 的 EC 表达 IGFBP7;(G-I)功能验证：vHLPO 的 EC TEER 值(≈300 Ω・cm²)接近人肺微血管 EC(HPMEC)，显著高于 vHIO 的 EC(≈100 Ω・cm²);(J-L)配体筛选：CellChat 分析发现 WNT11/SEMA3C 可诱导 VO 表达肺 EC 标志物，WNT4/ANGPTL4 诱导肠道 EC 标志物，且 EC 在跨器官诱导下可转换表型(肺 EC→肠道 EC，反之亦然)，证明其可塑性。

图 3：器官特异性间质细胞的鉴定与功能

该图解析间质细胞的器官特异性及调控作用：(A-B)Day7 vAFG/vMHG scRNAseq：vAFG 间质占比低(≈10%)，vMHG 间质占比高(≈25%)，且与 E8.75 小鼠前后肠间质组成相似;(C-E)小鼠 E8.75 肠管参照：前后肠间质分别高表达 HOXB6/HAND1(前)、HOXE6/PRRX1(后)，人类 vAFG/vMHG 间质表达同源标志物(MSX1、NR2F1 为前肠特有，HAPLN1、HOXB6 为后肠特有);(F-H)Day21 间质特征：smFISH 显示 vHLPO 间质高表达 TBX4，vHIO 高表达 IGFBP7，且均含 FOXF1⁺间质;(I-K)scRNAseq 对比：人类胎儿肺 / 肠道间质标志物在对应类器官中高表达，相似性分析显示 vHLPO 间质与胎儿肺间质匹配度达 85%，vHIO 与胎儿肠道达 82%;(L-O)功能验证：间质通过分泌 WNT2、FGF10 调控上皮增殖，缺失间质会导致上皮成熟延迟(如 AT2 细胞减少)。

图 4：体内移植后类器官的成熟与血管整合

该图验证移植后类器官的血管功能与成熟度：(A)移植方案：Day35 类器官移植到 NSG 小鼠肾被膜下，13/14 tvHLuO、13/13 tvHIO、4/4 tvHCO 存活;(B-D)tvHLuO 特征：HE 染色显示上皮形成分支结构，NKX2.1⁺肺上皮周围环绕 PECAM1⁺血管，部分血管含红细胞(灌注状态);(E-I)血管起源：人类特异性 PECAM1 smFISH 显示，近上皮区(Zone1)血管 90% 为人源，远上皮区(Zone2)部分整合鼠源血管，证明人源血管可与宿主连接;(J-K)肺泡毛细血管亚型：tvHLuO 中检测到 aCap(FENDRR⁺)与 gCap(KIT⁺)，tvHIO 中仅表达肠道 EC 标志物 IGFBP7;(L)细胞互作：smFISH 验证胎儿肺中关键配体 - 受体对(CXCL12-ACKR3、SEMA3E-PLXND1)在 tvHLuO 中存在，介导 EC - 间质 - 上皮互作。

图 5：血管化促进上皮成熟与功能提升

该图阐明血管 / 间质对上皮成熟的促进作用：(A)上皮成熟度对比：vHLPO 上皮与人类胎儿肺上皮(9-11 周)相似性显著高于传统类器官(cLPO)，vHIO 上皮与胎儿肠道上皮匹配度更高;(B-C)差异基因与通路：vHLPO 上皮高表达成熟标志物(SEMA3E、MECOM)，富集 “肺形态发生” 通路;cLPO 上皮富集 “DNA 损伤”“凋亡” 通路(KRT19⁺/CLDN4⁺损伤相关过渡细胞增多);(D-E)特殊细胞类型：tvHLuO 中出现人类特有的 RAS 细胞(SCGB3A2⁺/SCGB1A1⁺)，位于呼吸性细支气管区域;(F)分泌功能：tvHLuO 分泌液中检测到表面活性物质(SFTPB)、黏蛋白(MUC5AC)及免疫调控蛋白(BPIFB1、A2M);(G-H)调控机制：空间转录组显示间质分泌 WNT5A(结合上皮 ANTXR1)、FGF18(结合上皮 FGFR1)，促进上皮分化。

图 6：支架上肺泡结构的构建与超微形态

该图展示体外构建功能性肺泡结构：(A-B)ALI 与支架培养：vHLPO 单细胞接种到 ALI 或 HAMA-GelMA 支架(多孔结构)，形成肺泡囊状结构，cLPO 仅形成单层上皮;(C-D)支架特征：HAMA-GelMA 支架孔径适配细胞附着，Day21 vHLPO 细胞沿支架表面生长;(E-F)免疫荧光：支架上 vHLPO 表达 AT1(ANKRD1⁺)、AT2(HTII-280⁺)标志物，EC(PECAM1⁺)环绕上皮形成毛细血管样结构;(G)EC 亚型：支架上 EC 分化为 aCap(FENDRR⁺)与 gCap(HPGD⁺);(H-I)电镜观察：早期 AT2 细胞含糖原与板层小体，早期 AT1 细胞呈扁平状，且 AT1 与 EC 直接接触，形成原始气血屏障。

图 7：FOXF1 突变类器官模拟 ACDMPV 疾病表型

该图利用患者 iPSC 构建疾病模型：(A)患者 iPSC 特征：3 例 ACD 患者 iPSC(1 例 FOXF1 缺失，2 例错义突变)生成的 vHLuO 体积小于对照;(B-C)血管缺陷：ACD-vHLuO 的 PECAM1⁺血管减少，aCap(FENDRR⁺)与 gCap(KIT⁺)比例显著降低(对照≈30%，ACD≈5%);(D-H)上皮异常：ACD-vHLuO 的远端肺上皮(SOX9⁺/NKX2.1⁺)减少，AT1 细胞(HOPX⁺)比例下降，损伤相关 AT1/AT2 过渡细胞(CLDN4⁺)增多，与人类 ACD 肺组织病理一致;(I-K)传统类器官局限：传统 HLuO 因缺乏 FOXF1⁺间质 / EC，无法复现上皮异常;(L)机制总结：FOXF1 突变导致 EC / 间质功能缺陷，通过旁分泌信号异常间接抑制上皮成熟(细胞非自主性效应)。

全文总结

本研究通过模拟体内中内胚层协同发育，以 BMP 信号精准调控前 / 后肠命运，构建出具有器官特异性血管和间质的肺 / 肠道类器官，解决了传统类器官血管无特异性、功能不成熟的瓶颈，不仅建立了可推广的血管化类器官 protocol，鉴定出器官特异性 EC / 间质标志物与调控配体，还在体外复现肺泡结构、体内实现血管整合，成功模拟 ACDMPV 的细胞非自主性病理机制，为内胚层器官的发育研究、疾病建模与再生医学提供了关键工具，不过类器官仍呈胎儿期特征且缺乏免疫 / 神经细胞，未来需结合物理信号与多细胞共培养进一步优化。