基于微血管芯片和周细胞共培养体系的血管新生形态发生时空动态与异质性分析

本研究针对传统二维成像难以捕捉三维血管新生复杂动态的问题，开发了结合形态自适应高斯径向基函数（MAGIN）的非刚性配准方法，实现了对周细胞-内皮细胞共培养微血管模型的高精度时空动态量化，揭示了周细胞通过Notch信号和MMP-1空间调控促进血管萌发和形态成熟的机制，为治疗性血管新生研究提供了新视角。

　　

血管新生（Angiogenesis）作为从既有血管形成新毛细血管的关键过程，在缺血性疾病治疗和肿瘤生长转移中具有重要意义。虽然活体显微镜技术为微血管动态提供了独特见解，但种间差异始终阻碍转化研究。传统的非侵入性血管成像方法如CT和动态MRI主要针对大尺度血管重塑，缺乏分辨人体内微血管事件的空间分辨率。近年来，微生理系统（MPSs）作为药物筛选和发育生物学研究的体外实验平台受到关注，其中模拟体内微血管结构和功能的模型为研究人员提供了便捷平台。然而，在高质量图像数据和高分辨率分析之间仍存在障碍——现有研究通常提取血管中心线进行形态分析，虽有多款开源软件提供解决方案，但大多专注于构建血管网络的大尺度形态和拓扑结构，且主要针对静态比较，测量参数通常在整体结构中取平均值。

为解决这一难题，东京大学的研究团队在《Cell Biomaterials》发表了创新性研究，通过开发层次化配准方法结合局部形态学和网格生长技术，直观映射形状变化并定量评估血管新生动力学。研究采用周细胞-内皮细胞工程化微血管系统，通过时空测量揭示了：（1）母体血管和血管新生产物的独特变形模式和生长/退化分区；（2）周细胞定位和覆盖的时空变化；（3）周细胞-微血管接触对局部Notch活化、基质金属蛋白酶-1（MMP-1）分布、血管新生动力学异质性和形态成熟的增强效应。

研究主要采用了几项关键技术方法：首先利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）获取时间序列z-stack三维图像，通过IMARIS软件重建表面网格；开发了形态自适应高斯径向基函数（MAGIN）迭代非刚性配准方法，整合层次变形和网格生长到自由形变 deformation (FFD) 中；采用基于傅里叶变换的父血管-萌发血管分割方法；通过三维表面网格相交测量实现周细胞覆盖区域量化；结合免疫荧光分析Notch-1细胞内结构域（N1ICD）和MMP-1的空间分布特征。

体外微血管模型重现血管新生形态发生过程

研究人员使用内皮细胞和周细胞混合胶原凝胶制备微血管芯片，通过离心将周细胞与2.4 mg/mL I型胶原凝胶混合达到5×10⁵ cells/mL浓度。显微镜图像显示从第1天到第5天，血管显著扩张并出现血管导向的周细胞迁移，观察到血管新生萌发（白色箭头）和两个萌发血管融合形成的环状结构（白色箭头头）。

MAGIN配准为时间序列网格提供良好对齐以实现对应匹配

研究采用迭代配准和网格生长来模拟自然血管新生动力学，将整体萌发运动离散为单个顶点位移的集合，从而实现时间序列网格跟踪和高分辨率量化。通过比较显示，MAGIN方法在处理曲线结构和不规则变形方面比单独刚性配准实现了更好的表面拟合，Hausdorff距离和Chamfer距离量化比较证明了MAGIN方法在处理多尺度血管新生变形方面的优越性。

血管新生萌发的局部生长/退化分类和动力学类型分区：生长尖端区域和根区退化

基于时间序列数据中的对应关系定义局部退化和生长状态，并分析其空间分布。研究发现萌发区域比父血管区域具有更大的平均变形距离，且萌发区域生长区域的比例更大。有趣的是，生长和退化区域在父血管表面网格上随机分布，而在萌发区域，退化顶点主要位于萌发的根区域。

周细胞选择性迁移至萌发区域，增加萌发异质性，并通过Notch和MMP-1调控促进萌发形态成熟

时间序列z-stack图像重建为周细胞和微血管网格进行三维相交测量。结果显示周细胞覆盖顶点比例略有增加，从第3天的8.16%到第5天的10.2%。萌发顶点在所有周细胞覆盖顶点中的比例逐步增加，从第3天的14.5%到第5天的22.8%。周细胞覆盖顶点的变形距离更集中在小变形区域（0-10μm），而周细胞未覆盖顶点的分布更均匀且在较大变形区域（10-40μm）份额更大。

免疫荧光图像显示，与内皮细胞单独培养芯片相比，周细胞-内皮细胞共培养芯片具有更高的内皮细胞N1ICD和MMP-1表达水平。空间上，共培养芯片沿萌发具有异质的N1ICD和MMP-1表达水平，高表达区域集中在根区域；而单独培养芯片萌发上的N1ICD和MMP-1水平均匀分布。

定量分析显示，周细胞覆盖和周细胞未覆盖的萌发都表现出表面平滑度和长度的逐渐增加，但周细胞覆盖的萌发始终具有更大的表面平滑度和长度，表明周细胞-内皮细胞接触增强了萌发成熟，这种效应可能无法通过长距离细胞-细胞串扰替代。

研究结论和讨论部分强调，这项研究构建了3D周细胞-微血管共培养系统，提出了用于体外血管新生研究的MAGIN方法，并定量测量了周细胞覆盖对微血管局部动力学和新萌芽发成熟过程的影响。时间序列3D网格的数值测量为血管新生研究提供了新视角。周细胞接触诱导的异质化和萌发根区退化是本研究首次发现的现象，揭示了一部分全面的形态发生过程，并验证了MAGIN方法的准确性。

该方法未来有望应用于复杂血管结构分析，如类器官中的血管网络、斑马鱼血管化、兔耳伤口愈合血管新生和三层层状视网膜血管新生等领域。复杂的串扰机制，如远距离相互作用的分泌因子（旁分泌）或直接接触相互作用的膜蛋白（近分泌），将被考虑在内。

这项研究的重要意义在于提供了前所未有的空间分辨率来解析微血管新生过程中的局部动力学特征，建立了计算生物学方法与实验生物学的有效结合，为治疗性血管新生研究提供了新的技术平台和理论依据。通过精确量化周细胞-内皮细胞相互作用的时空动态，研究不仅深化了对血管成熟机制的理解，也为组织工程中可灌注、有序和密集血管网络的构建提供了重要指导。