腎類器官
大多數腎臟類器官是由多能干細胞 (PSC) 形成的 3D 結構，它們能在體外模擬人腎臟的發(fā)育過程并進行誘導分化。雖然不是真正的腎臟，但腎臟類器官可以形成各種類似于人腎的結構單元，如腎小球足細胞、近端小管、遠端小管、集合小管等。它們可用于腎臟疾病的細胞修復和治療，也可用于模擬腎臟發(fā)育和疾病發(fā)生，篩選改善腎功能的藥物。
全世界約有 10% 的成年人患有慢性腎病，腎病發(fā)病率的增加對臨床和公共衛(wèi)生工作都是一個巨大的挑戰(zhàn)。腎臟類器官模型在建立腎臟疾病模型時，既兼顧了動物模型和細胞培養(yǎng)的優(yōu)勢，又可以篩選治療藥物，檢測藥物腎毒性。未來，腎類器官也有望成為腎移植供體腎臟的來源。
圖1. 腎類器官的建立和應用
圖片來源：Kidney organoids and tubuloids；DOI： 10.3390/cells9061326
1、腎類器官研究現狀
2015 年，科學家們在實驗室中成功利用干細胞培育出包含腎臟的各種細胞和微結構腎類器官 [1]。這種腎臟類器官僅包含兩種不同類型的成熟細胞，還不足以取代人體器官。但這一突破可以應用在其他地方，例如在藥物毒理學測試中替代實驗室動物。在同一時期，Ryuji Morizane 等人研發(fā)了一種在體外從人多能干細胞中產生腎臟類器官的方法 [2]。這些類器官包含大量組織良好的腎臟結構單元，但缺乏用于注入血液的血管網絡，這一缺陷要通過使類器官在生物工程設備上流動來克服。這項研究首次展示了人類腎臟器官更先進的腎臟結構和功能，對于取代人類腎臟用于藥物測試和疾病建模以及最終的體內治療非常重要。
2018年，第一個能夠產生尿液的人工腎問世[3]。研究人員將人類胚胎干細胞浸泡在含有促進腎臟發(fā)育分子的培養(yǎng)基中。這些細胞與一種模擬天然結締組織的凝膠狀物質結合，并注射到小鼠皮下形成一個微小的團塊。三個月后，該組織已發(fā)育成腎元，即有腎臟結構和功能的基本單位。這些腎臟類器官由近端腎小管、遠端腎小管等組成。Baur和Hay等人利用熒光蛋白葡聚糖與小便器樣底物結合測量腎元過濾血液產生的“尿液”，證實了腎臟類器官具有過濾血液和產生尿液的能力。
2019年，科學家通過將腎類器官暴露在細胞液中，利用細胞液的流體剪切應力，成功培養(yǎng)出血管化的生物人工腎[4]。這項技術為生物人工腎最終成功奠定了基礎。雖然目前還不確定是否可以直接注入來自腎臟的血液，但與移植到動物體內相比，是一個顯著的進步。
2021年，李中偉等人首次報道了一種新的 3D 培養(yǎng)方法，能夠將對人和小鼠的原代收集管祖細胞，或者由hPSC 分化而來的收集管祖細胞進行體外培養(yǎng)、擴增、并最終誘導分化為類器官[5]。該系統(tǒng)為收集管祖細胞以從干細胞合成人工腎提供了重要元素。結合基因編輯技術，這套體外誘導型集合管類器官模型可廣泛應用于腎臟發(fā)育和疾病機理研究。
急性腎損傷是一種非常常見的臨床疾病，通常由不同的藥物引起。Navin Gupta 和同事發(fā)現，當人類腎臟類器官暴露于化療藥物順鉑時，包括 FANCD2 和 Rad51 在內的許多基因在修復過程中被激活，但隨著腎臟損傷變得不可逆轉使得它們的基因表達下降 [6]。最終Navin Gupta 等人通過藥物篩選測試確定了一種名為 SCR7 的化合物，該化合物有助于維持 FANCD2 和 RAD51 的活性以挽救正常組織修復，并在順鉑誘導的類器官損傷模型中防止慢性腎臟疾病(CKD)的惡化。
3、腸道疾病研究靶點
- ASK1
- APOL3
- BMP-7
- CCL2
- CCR2
- CD9
- CD30
- CD36
- CD44
- CD153
- CDA1
- CDK7
- CFTR
- COX2
- CLDN5
- CTGF
- Col3a1
- Col4a1
- Col5a1
- Col5a2
- Col5a3
- Col7a1
- Col8a1
- calpain-1
- cathepsin L
- cathepsin S
- Cx43
- EXT1
- EXT2
- E2F3
- ELMO1
- FANCD2
- FGF23
- GLP-1
- GPRC5b
- Itgb1
- JAML
- KIM-1
- Mmp2
- MYH9
- NOX-1
- NOX-4
- NOX-5
- Nrf2
- PAK1
- PACAP
- PEDF
- PLA2R
- PKD1
- PKD2
- PKHD1
- PPARA
- RAD51
- ROBO2
- ROCK-1
- SGLT2
- SIRT1
- setd7
- smad3
- THSD7A
- TNF-α
- TRPC5
- TRPC6
- Tspyl2
- WIF1
參考文獻：
[1] Minoru Takasato, Pei X. Er, et al. Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis [J]. Nature 526, 564–568 (2015).
[2] Ryuji Morizane, Joseph Bonventre, et al. Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury [J]. Nat Biotechnol. 2015 Nov; 33(11): 1193–1200.
[3] Ioannis Bantounas, Parisa Ranjzad, et al. Generation of Functioning Nephrons by Implanting Human Pluripotent Stem Cell-Derived Kidney Progenitors [J]. Stem Cell Reports. 2018 Mar 13;10(3):766-779.
[4] Homan KA, Gupta N, Kroll KT, et al. Flow-enhanced vascularization and maturation of kidney organoids in vitro [J]. Nat Methods. 2019 Feb 11.
[5] Zeng, Z., Huang, B., Parvez, R.K. et al. Generation of patterned kidney organoids that recapitulate the adult kidney collecting duct system from expandable ureteric bud progenitors [J]. Nat Commun 12, 3641 (2021).
[6] Navin Gupta, Takuya Matsumoto, et al. Modeling injury and repair in kidney organoids reveals that homologous recombination governs tubular intrinsic repair [J]. Science Translational Medicine, 2022; 14 (634).
