腎類器官
大多數(shù)腎臟類器官是由多能干細(xì)胞 (PSC) 形成的 3D 結(jié)構(gòu)，它們能在體外模擬人腎臟的發(fā)育過程并進(jìn)行誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)單元，如腎小球足細(xì)胞、近端小管、遠(yuǎn)端小管、集合小管等。它們可用于腎臟疾病的細(xì)胞修復(fù)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)。腎臟類器官模型在建立腎臟疾病模型時(shí)，既兼顧了動(dòng)物模型和細(xì)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(yīng)用
圖片來源：Kidney organoids and tubuloids；DOI： 10.3390/cells9061326
1、腎類器官研究現(xiàn)狀
2015 年，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中成功利用干細(xì)胞培育出包含腎臟的各種細(xì)胞和微結(jié)構(gòu)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(xì)胞，還不足以取代人體器官。但這一突破可以應(yīng)用在其他地方，例如在藥物毒理學(xué)測試中替代實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物。在同一時(shí)期，Ryuji Morizane 等人研發(fā)了一種在體外從人多能干細(xì)胞中產(chǎn)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(jié)構(gòu)單元，但缺乏用于注入血液的血管網(wǎng)絡(luò)，這一缺陷要通過使類器官在生物工程設(shè)備上流動(dòng)來克服。這項(xiàng)研究首次展示了人類腎臟器官更先進(jìn)的腎臟結(jié)構(gòu)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(nèi)治療非常重要。
2018年，第一個(gè)能夠產(chǎn)生尿液的人工腎問世[3]。研究人員將人類胚胎干細(xì)胞浸泡在含有促進(jìn)腎臟發(fā)育分子的培養(yǎng)基中。這些細(xì)胞與一種模擬天然結(jié)締組織的凝膠狀物質(zhì)結(jié)合，并注射到小鼠皮下形成一個(gè)微小的團(tuán)塊。三個(gè)月后，該組織已發(fā)育成腎元，即有腎臟結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。這些腎臟類器官由近端腎小管、遠(yuǎn)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(jié)合測量腎元過濾血液產(chǎn)生的“尿液”，證實(shí)了腎臟類器官具有過濾血液和產(chǎn)生尿液的能力。
2019年，科學(xué)家通過將腎類器官暴露在細(xì)胞液中，利用細(xì)胞液的流體剪切應(yīng)力，成功培養(yǎng)出血管化的生物人工腎[4]。這項(xiàng)技術(shù)為生物人工腎最終成功奠定了基礎(chǔ)。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(dòng)物體內(nèi)相比，是一個(gè)顯著的進(jìn)步。
2021年，李中偉等人首次報(bào)道了一種新的 3D 培養(yǎng)方法，能夠?qū)θ撕托∈蟮脑占茏婕?xì)胞，或者由hPSC 分化而來的收集管祖細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)、擴(kuò)增、并最終誘導(dǎo)分化為類器官[5]。該系統(tǒng)為收集管祖細(xì)胞以從干細(xì)胞合成人工腎提供了重要元素。結(jié)合基因編輯技術(shù)，這套體外誘導(dǎo)型集合管類器官模型可廣泛應(yīng)用于腎臟發(fā)育和疾病機(jī)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(xiàn)，當(dāng)人類腎臟類器官暴露于化療藥物順鉑時(shí)，包括 FANCD2 和 Rad51 在內(nèi)的許多基因在修復(fù)過程中被激活，但隨著腎臟損傷變得不可逆轉(zhuǎn)使得它們的基因表達(dá)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(fù)，并在順鉑誘導(dǎo)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(diǎn)
- 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(xiàn)：
[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).
