静脉畸形(Venous malformations, VM)是由静脉内皮细胞(VECs)内的体细胞突变导致的最常见的血管畸形，发病率为万分之一到万分之二^[1]。静脉畸形的典型症状为血管结构异常、患病部位疼痛、肿胀和出血以及器官功能障碍^[2-3]。目前常用的治疗方法包括硬化治疗和手术切除等，虽能有效控制但也面临不能彻底治愈、费用昂贵以及较高的手术风险等问题^[4]。而针对VM的药物治疗方案仍有很大空白，目前尚未有FDA批准药物的一个主要原因是缺乏能复现疾病症状、成本可控且容易大规模复制的疾病模型。VM的致病性体细胞突变通常不可遗传且局部发病，所以涉及转基因动物育种的传统方法并不适用。此外，利用AAV病毒等手段在小鼠模型中递送突变体的方式，虽能呈现血管畸形的表型，但也存在着高成本、稳定性低和人鼠差异的缺点。因而，开发一种全新的血管畸形模型，对于血管畸形的病理机制研究和相关的药物开发有着重要意义。

2024年11月21日，北京大学基础医学院血管稳态与重构全国重点实验室的王凯研究员和孔炜教授，与北京大学第三医院临床干细胞研究中心的王茜研究员以及北京大学国际癌症研究院的谢正伟研究员团队合作在Cell Stem Cell期刊上发表题为“Generation of iPSC-derived human venous endothelial cells for the modeling of vascular malformations and drug discovery”的研究论文，开发了一种高效的静脉内皮细胞(iVEC)分化方案，进一步利用携带TIE2-L914F杂合突变的iPSC衍生的iVEC复现了静脉畸形的病理特征，利用AI辅助的药物预测结合Drug-seq，发现FDA批准原本用于治疗白血病的药物博舒替尼(Bosutinib)，能有效地改善血管畸形的表型，具有临床应用的潜力。

该研究聚焦VMs最常见的致病突变TIE2 p.L914F(c.2740 C>T)。TIE2 (TEK)是受体酪氨酸激酶亚家族成员，主要表达于内皮细胞，在血管生成、重塑、成熟和完整性方面发挥重要作用。目前模拟血管畸形最广泛使用的细胞模型是 HUVECs过表达的突变体。然而该类模型存在明显的失真问题。一方面是体外扩增的HUVECs失去了部分静脉特性，另一方面是过表达产生的突变体剂量必然多于患者体内的杂合突变。为更好地模拟静脉的特性，研究团队开发了一个稳健的静脉内皮(iVECs)分化方案。该方案涉及调节视黄酸信号通路以调控细胞周期，从而促进向静脉内皮的特异性分化。针对突变拷贝数问题，团队利用基因编辑技术向iPSCs的TIE2基因中引入了L914F杂合点突变。

研究者在前人研究的基础上，通过对分化条件的不断调整，确定了以血管内皮生长因子VEGFA、成纤维生长因子FGF2、NOTCH抑制剂DAPT和视黄酸(RA)为主要成分的稳定而高效的静脉内皮分化方案。进一步研究明确了其中的RA能够促使G1早期阻滞，从而促进向静脉谱系的分化。iVECs和iAECs的单细胞测序数据比对结果表明，MEF2C可能促进静脉内皮的分化。而该基因以往并没有被报道过在动静脉内皮的异向分化过程中起直接作用。基于此，研究人员过表达了MEF2C基因，发现静脉内皮细胞比例有所提高。对于iVECs进行功能验证证明其具有静脉特征，包括一氧化氮生成水平低、剪切应力响应弱、招募免疫细胞能力增强等。体内移植的iVECs同样能持续表达静脉标记物，且形成可灌注的管腔。

随后，研究者使用CRISPR-Cas9向iPSCs中引入了TIE2-L914F杂合突变。突变的iVECs复现了VM的病理表型，包括F-actin紊乱、增殖能力与抗凋亡能力增强、成管腔能力减弱。Bulk RNA-seq支持了突变型VM中相应通路和基因表达水平的异常。进一步将突变型iVECs移植到小鼠肾包囊下，形成了畸形血管并产生显著的功能异常。为了寻找到合适的VM治疗药物，团队使用了基于深度学习的DLEPS方法进行了药物预测。结合DRUG-Seq，团队推测博舒替尼是一种潜在的可用药物。向突变组给药后，其VM异常表型得到显著改善，证明了博舒替尼的治疗作用。进一步探究给药组的基因组表达及蛋白组表达情况发现，博舒替尼通过减弱突变组内皮间质转化水平而抑制细胞增殖，进而缓解了TIE2-L914F突变导致的异常表型。

综上，该研究发现视黄酸RA介导的细胞G1期阻滞并激活祖细胞向静脉内皮细胞转化所需的基因。作者在iPSCs中引入L914F杂合突变并分化为静脉内皮作为静脉畸形模型，利用深度学习和高通量DRUG-Seq方法鉴定出Bosutinib在体外和体内有效地挽救了疾病表型，为血管畸形领域潜在药物研发和临床治疗靶点提供了更多的可能。

该研究受到了国自然-面上项目、北自然-杰青项目、重点研发干细胞专项和四大慢病专项的资助，也受到了哈佛医学院/波士顿儿童医院Joyce Bischoff教授、北京大学未来技术学院赵扬研究员、北京大学医药卫生分析中心的刘皎副主任、北京大学第三医院成形外科的夏有辰主任和马建勋主任、南京市儿童医院烧伤整形外科的沈卫明主任、天新福(北京)医疗器材股份有限公司的孙冰冰和张伟博士、中国中医科学院张晶晶研究员以及首都医科大学附属北京安贞医院刘愚勇主任和姜文剑主任等的大力支持与帮助。

北京大学基础医学院生理学与病理生理学系博士研究生潘子航和姚启扬为本文的共同第一作者，北京大学基础医学院生理学与病理生理学系的王凯研究员和孔炜教授、北京大学第三医院临床干细胞研究中心的王茜研究员和北京大学国际癌症研究院的谢正伟研究员为本文的共同通讯作者。

值得一提的是，这项工作是王凯课题组近年来在“干细胞与血管类器官”方向上一系列工作的延续：(1)基于转录因子的无偏差筛选，发明了一种利用转录因子ETV2的瞬时激活定向诱导干细胞高效分化成血管内皮细胞的方案(Science Advances 2020)和利用转录因子NKX3.1的瞬时激活定向诱导干细胞分化成血管壁细胞的方案(Nature Communications 2024)。进一步利用动态生物反应器诱导干细胞自组装和分化形成动脉和静脉血管类器官，可以用于主动脉疾病、血管畸形和脑血管病的模拟(Advanced Science 2024; Cell Stem Cell 2025)。(2)构筑基于三维仿生图形化多孔支架的血管化人工胰腺用于糖尿病的治疗(ACS Appl. Mater. Interfaces 2024; Advanced Materials 2017; Biomaterials 2016, 2017)。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/kai_wang_pku诚邀志趣相投的本科生、研究生和博士后的加盟。

后记：

2021年7月独自带着7个月大的baby girl搭乘纽约到上海的航班，享受了此生难忘的4周“深度”亲子双人套餐(可能永久改变了我的表观遗传修饰)，怀揣着紧张又亢奋的心情，8月入职了北医生理系，因为错过了招生，原本以为要孤军奋战一会儿，这时候天上掉下了一个叫潘子航的学生，17级基础8年制本博连读(17年本科入学，25年博士毕业)，从别无选择到如获至宝只用了几个月的时间，还记得我最初给他布置了一个CRISPR质粒克隆的任务，我预计1个月能搞定就不错了，很快我被打脸，大概两周的时间，他说他已经克隆好了，而且并没有用我给他的压箱底的protocol，说我那个方案太慢了……我意识到我可能捡到宝了，北大学生的智商毋庸置疑，毕竟当年我在北大读博的时候就已经领教过了，然而idea is cheap，一个有着强大内驱和执行力的北大学生+一个“饥渴”青椒的组合是极具“破坏力”的。很快在若干课题的若干试水中，我们开始发力和聚焦“干细胞衍生血管类器官用于血管畸形建模”的课题，并派了另一个给力的学生姚启扬加入和推进课题。后来的事情，你们也知道了，反复的疫情封校，最长在办公室连续睡了一个月多的时间，好在实验并没有停滞，还能偷溜出校园，与诸位师长朋友，在唐老师家中小酌几杯……疫情过去了，由于所在实验楼的翻修改造，我们又搬了两次实验室，虽然实验室的条件越搬越好，学生竟然时不时跟我吐槽说还是在最初1.0版本的实验室里头，干细胞养得最好，血管类器官也分化得最好……此等玄学，颇为无奈，懂的都懂，也只能一笑了之。终于，我们在24年5月开始拿着有7张figure的full article开始投稿，要投就投我们干细胞类器官领域的梦中情刊Cell Stem Cell，幸运的是很快送审了，幸运的是一审意见也颇为积极，看着审稿人们时不时出现的Novel、significant、well done、advance the field、breakthrough。有戏！趁热打铁，两个月修回，并在24年10月接收，历时5个月，实验室开张三年。感谢在我们一无所有的时候，启动经费还在走流程，但实验不能停，我的伯乐+领导孔炜老师用自己的经费慷慨无私地资助并指导我们。感谢北大的赵扬、向宽辉和清华的那洁老师，素未谋面，却慷慨惠赠了多潜能干细胞系，引火成功。感谢我们在苦苦寻找一个趁手的细胞电转仪器的时候，生理系的王宪、姜长涛和冯娟老师慷慨地把仪器借给我们做基因编辑，直到现在还被我们霸占着……当我们想使用AI这样的先进工具，感谢北大的谢正伟老师二话不说地撸袖子进场解决我们的问题。感谢北医三院成形外科夏有辰主任和南京儿童医院沈卫民主任提供的标本和指导。感谢北医三院临床干细胞研究中心于洋研究员的大力支持，感谢邓宏魁老师在我求学阶段给我种下的干细胞种子。感谢北医三院王茜研究员提供的三位一体无死角的战略支撑。感谢Wanglab其他成员的付出，we are family，CellStemCell paper is the first but not the last 最后的最后，一个好的平台和一个好的土壤才能孕育出硕果，海内外的学子们，热烈欢迎大家加入北京大学基础医学院，这里严谨厚道不唯帽子，志存高远又有人情味，是你传道授业解惑的好地方。

参考文献：

[1] Behravesh, S., Yakes, W., Gupta, N., Naidu, S., Chong, B. W., Khademhosseini, A., & Oklu, R. (2016). Venous malformations: clinical diagnosis and treatment. Cardiovascular diagnosis and therapy, 6(6), 557–569. https://doi.org/10.21037/cdt.2016.11.10

[2] Uebelhoer, M., Nätynki, M., Kangas, J., Mendola, A., Nguyen, H. L., Soblet, J., Godfraind, C., Boon, L. M., Eklund, L., Limaye, N., & Vikkula, M. (2013). Venous malformation-causative TIE2 mutations mediate an AKT-dependent decrease in PDGFB. Human molecular genetics, 22(17), 3438–3448. https://doi.org/10.1093/hmg/ddt198

[3] Kangas, J., Nätynki, M., & Eklund, L. (2018). Development of Molecular Therapies for Venous Malformations. Basic & clinical pharmacology & toxicology, 123 Suppl 5, 6–19. https://doi.org/10.1111/bcpt.13027

[4] Cooke-Barber, J., Kreimer, S., Patel, M., Dasgupta, R., & Jeng, M. (2020). Venous malformations. Seminars in pediatric surgery, 29(5), 150976. https://doi.org/10.1016/j.sempedsurg.2020.150976

原文链接：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(24)00377-1

Tags： Cell Stem Cell 北京大学王凯团队建立iPSC衍生血管畸形新模型，助力AI驱动的药物筛选