杜克大学生物医学工程团队首次利用诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）培育出对视网膜健康至关重要的特化血管细胞。
将这些“诱导视网膜内皮细胞（induced retinal endothelial cell, iREC）”注入视网膜疾病模型小鼠体内后，细胞可整合至受损组织，再生血管并恢复视网膜功能。研究团队还证实，这类细胞可在体外培养环境中形成功能性视网膜血管组织，为多种眼部疾病的建模与研究提供了可行路径。
该研究结果表明，这类视网膜细胞及模型有望用于开发新型高效的视力丧失治疗方案，推动眼部疾病研究进展。杜克大学生物医学工程系主任、Paul M. Gross杰出教授Sharon Gerecht博士表示：“美国有数百万民众受视网膜血管疾病困扰，但目前我们对这类疾病的认知仍十分有限，阻碍了新疗法的研发进程。我们利用人干细胞培育出了视网膜血管中的功能细胞，为开发新型治疗方案铺平了道路。”
Gerecht是该研究发表在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上的论文的资深通讯作者，论文题为《人多能干细胞分化来源的功能性视网膜内皮细胞用于治疗与疾病建模》。作者在研究报告中指出，他们建立的iREC分化策略将“……推动细胞治疗与疾病建模研究，加速视网膜微血管疾病治疗方案的研发”。
“眼睛是心灵的窗户”这句老话比人们想象的更具科学依据。视网膜是眼球后部负责感光的结构，其神经元直接延伸至大脑，因此从解剖学层面而言眼睛属于中枢神经系统的一部分。
和大脑类似，视网膜也存在专属的屏障结构，严格调控氧气、营养物质、水分及药物等物质的进出。该屏障既可以维持视网膜健康，保护其免受病原体侵袭，同时也导致视网膜疾病的给药治疗难度大幅提升。研究作者进一步解释道：“由于视网膜神经元持续高频活动，视网膜是人体能量和氧气消耗最高的组织，这一代谢需求使得内血视网膜屏障（inner blood–retina barrier, iBRB）对维持眼内稳态至关重要。”
该屏障由血管组织构成，其中包含排列紧密的视网膜内皮细胞（形成血管内层结构），以及周细胞、星形胶质细胞等其他特化细胞。研究人员补充道：“内血视网膜屏障中的视网膜内皮细胞（REC）是连续内皮细胞，可形成紧密连接，调控离子、水分等小分子在细胞间界面的扩散。”这类细胞具有组织特异性，不会在机体其他部位生成，因此这类复杂组织的修复或体外构建难度极高。
Gerecht实验室的博士生、论文共同第一作者Parker Esswein表示：“当这种特化血管组织开始受损时，会引发多种可导致视力丧失的疾病。目前已有获取视网膜内皮细胞的来源，但如果能实现这类细胞的体外连续批量培育，将为该领域研究人员带来诸多便利。”
目前视网膜内皮细胞主要从临床患者组织中收集培养，成本较高且供应有限。研究团队在论文中指出：“因此，可稳定获取的人内血视网膜屏障内皮细胞来源对推动眼部研究及治疗方案研发至关重要。”
为了扩大细胞供给、降低成本、减少批次差异，Gerecht实验室尝试利用iPSC培育视网膜内皮细胞。iPSC是将成熟成体细胞重编程得到的原始状态细胞，可分化为多种不同类型的功能细胞。
为实现这一目标，Esswein与Gerecht实验室的前博士生Ying-Yu Lin博士使用商品化iPSC，通过成熟的诱导方案先将其分化为构成机体多数血管内层的普通内皮细胞，随后利用特制的生长因子混合物诱导细胞定向分化为视网膜特异性内皮细胞。他们解释道：“我们通过激活Wnt-β-连环蛋白通路，即Norrin-Frizzled4信号通路，将人诱导多能干细胞分化为iREC。”
分化成功后，研究人员对获得的iREC开展了功能验证。在体外实验中，研究团队成功诱导iREC形成了与体内结构一致的血管网络结构。随后研究人员将这类体外培育的组织置于低氧、高糖的有害环境中（这类环境是糖尿病患者体内的典型病理条件），上述条件是美国劳动年龄人群视力丧失首要病因——糖尿病视网膜病变（DR）的核心诱因，可诱导组织屏障发生与临床患者一致的损伤。研究人员总结道：“总体而言，我们利用iREC在二维和三维模型中稳定复现了糖尿病视网膜病变的表型，证明这类细胞可用于体外疾病建模，解析异常调控通路及治疗靶点。”
随后研究人员测试了这类体外培育细胞对视网膜血管结构薄弱、紊乱的模型小鼠的治疗效果。在小鼠发生实质性视力丧失之前注入iREC，这类细胞可成功整合至宿主原有组织中，帮助形成结构完整、屏障功能健全的强健血管。他们表示：“将iREC注入氧诱导视网膜病变小鼠体内后，细胞可整合至宿主血管网络，促进缺血眼部的血管再生，实现组织挽救。”
Esswein表示：“实验结果表明这类体外培育细胞有望用于预防性治疗，尤其是我们的制备技术可以更简便、更低成本地获得这类细胞。虽然本研究中的体外实验尚未对多种特异性眼部疾病开展建模，但我们有信心可在实验室中构建优秀的人源组织模型，帮助我们更深入地理解这类疾病、开发相关疗法。”
未来研究人员计划在实验室及与新兴行业伙伴的合作中，探索这类视网膜内皮细胞的潜在应用场景。该团队已就干细胞治疗方案及用于药物发现和测试的体外建模技术提交了待授权专利。他们在论文的结论部分指出：“本研究建立了功能性人源iREC及微生理内血视网膜屏障模型，可用于识别治疗靶点的机制研究，同时可促进受损视网膜的血管再生，为治疗方案的研发提供支持。”
专业注释
- 内血视网膜屏障：视网膜内层的选择性通透屏障，维持眼内微环境稳态
- Wnt-β-连环蛋白通路：调控细胞分化、发育的经典信号通路