Transient Vascular Cell Integration and Intrinsic Media-Stimulated Endothelial Activation Reveal Diabetic Retinopathy Signatures in Human Retinal Organoids
本研究表明，将血管细胞整合入人类视网膜类器官中，在保留视网膜结构的同时，揭示了一种内源性的、类高糖引发的炎症性内皮激活，这种激活部分重现了糖尿病视网膜病变的特征，从而推动了用于研究视网膜疾病的血管化且具有免疫能力的模型的创建。
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人类的眼睛依赖于位于后方的薄薄一层被称为视网膜的组织，将光线转化为我们看到的图像。这层组织不仅仅是一个被动的屏幕；它是一个复杂的、活性的神经元网络，需要由密集的微小血管网输送持续的氧气和营养物质。如果没有这种血管支持，视网膜中心的细胞就会开始死亡，导致像糖尿病视网膜病变这样的失明情况。几十年来，科学家们一直试图利用干细胞在实验室中培育人类视网膜的微缩版本。这些被称为“类器官”的微小、自我组织的结构，在研究眼睛发育方面具有极高的价值。然而，一个主要的局限性一直存在：这些实验室培育的视网膜在很大程度上是无血管的，这意味着它们缺乏维持长期生存所需的血管。因此，它们往往无法完全成熟，也无法模拟以血管功能衰竭为根本原因的疾病。
长期以来，研究人员一直试图通过向这些实验室培育的眼睛中添加血管来解决这个问题，但如何在不破坏视网膜复杂分层结构的情况下实现这一点已被证明非常困难。仅仅将这两种组织混合在一起，往往会导致精细的神经层塌陷，形成一团杂乱无章的物质。此外，目前尚不清楚支持视网膜所需的血管和免疫细胞必须从外部添加，还是视网膜组织本身在适当的条件下是否持有生成这些支持细胞的潜在能力。理解这一区别对于创建准确的人类眼部疾病模型至关重要，特别是对于像糖尿病这类由于高血糖损伤眼中微小血管，从而导致炎症和视力丧失的疾病。
来自纽卡斯尔大学及合作机构的一个科学家团队现在已经在解决这一谜题方面迈出了重要一步。他们成功培育了包含血管细胞和免疫细胞的人类视网膜类器官，但有一个关键的转折点：这种整合是暂时的，且添加的时机至关重要。通过在发育的特定早期阶段引入这些血管细胞，研究人员发现，类器官能够维持其正确的层次结构，甚至能对光做出反应，就像健康的真人视网膜一样。或许更令人惊讶的是，他们发现，当他们在促进血管生成的营养丰富环境中培育视网膜类器官而不添加任何外部血管时，类器官会自发地产生其内部的、具有炎症特征的类血管细胞。这些自制的细胞展现出的遗传特征与人类眼睛遭受糖尿病视网膜病变影响时的特征惊人地相似，这为在无需在培养皿中操纵糖水平的情况下研究该疾病提供了一种新方法。
研究人员首先利用人类干细胞创建了“血管类器官”。这些是小型、三维的组织球，自然发育为血管细胞、支持细胞和免疫细胞的混合体。随后，他们测试了两种将血管类器官与发育中的视网膜类器官融合的策略。在第一种方法中，他们尝试将两个发育完全的类器官融合在一起，但这导致视网膜的有序层次在几周后消失了。第二种方法被证明要成功得多。团队将血管类器官分解成单个细胞，并将它们撒在发育中的视网膜薄片上，然后再让该组织卷曲成三维球体。他们在两个不同的时间点进行了操作：当血管细胞还很年轻时（第12天）以及它们更加成熟时（第30天）。
结果表明，这种引入的时机决定了一切。当研究人员添加较年轻的第12天血管细胞时，类器官产生了一些结构，但整合并不稳定。然而，当他们添加更成熟的第30天血管细胞时，结果非常显著。血管细胞迁移到了视网膜组织中并持续了一段时间，但关键在于，它们并没有破坏视网膜精细的架构。类器官保留了其清晰的分层，即光感受器在外侧，神经细胞在内侧，正如人类眼睛中的情况一样。更重要的是，这些类器官保持了功能性。当暴露在光线下时，类器官中的神经细胞会发出电信号，这表明尽管存在新的血管细胞，复杂的视网膜电路已正确形成。
虽然血管细胞在约100天后从类器官中逐渐消退，但实验揭示了视网膜组织本身隐藏的能力。在对照组中，研究人员在一种旨在促进血管生长的特殊液体中培育视网膜类器官，但并未添加任何外部血管细胞，结果类器官开始产生自身的类血管细胞。这些细胞并非在活体眼睛中发现的那种健康、有序的血管；相反，它们表现为无序的集群，并表达出炎症和压力标记。
当科学家分析这些自生成细胞的遗传密码时，他们发现了一个与人类疾病惊人的联系。这些细胞携带了一套特定的遗传指令，与暴露在高糖水平下的真人眼睛中的血管细胞特征相匹配，而高糖是糖尿病的标志。这些细胞显示出炎症迹象以及向更僵硬、类似瘢痕状态的转变，这是糖尿病视网膜病变的早期预警信号。即便研究人员没有在培养皿中添加额外的糖，仅仅是由于血管促进液的存在，就足以触发类器官自身细胞产生这种疾病状态。
这项研究还阐明了眼内的免疫系统。研究人员发现，无论是否添加外部细胞，所有类器官中都会自然出现一种免疫细胞，即一种被称为小胶质细胞的白细胞。这些细胞在组织中移动，随着类器官的成熟，其形状从圆形变为分支状，模仿了发育中人类眼睛中免疫细胞的行为。这表明视网膜具有招募并容纳自身免疫防御系统的内在能力，这一特征对于研究炎症如何导致眼部疾病至关重要。
这些发现挑战了“研究视网膜疾病必须从外部添加所有血管和免疫细胞”的假设。相反，研究表明，视网膜组织本身包含了生成这些支持系统的潜力，但生长环境决定了它们会变成健康还是患病。当环境过于剧烈或缺乏正确的物理线索时，类器官会产生一种混乱的、具有炎症性的血管版本，镜像了糖尿病视网膜病变中所见的损伤。
这项工作为理解血管功能衰竭如何导致失明提供了新的工具。通过创建一个视网膜产生自身受压血管的模型，科学家现在可以在人类组织背景下研究糖尿病视网膜病变的早期分子事件。该研究还强调了时间与环境在组织工程中的重要性。它表明，虽然添加成熟的血管细胞可以支持视网膜发育而不造成损伤，但用于培育这些组织的条件必须得到严格控制，以避免意外触发疾病状态。能够培育出既具有血管化又具有免疫功能，同时还能保持其结构完整性的视网膜类器官，代表了在创建用于测试新疗法的现实人类眼睛模型方面的重大进展。
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