腎臟具有一定的自我修復能力，能夠維持腎臟結構并恢復到基態(tài)。然而，當損傷過于嚴重或反復發(fā)生時，這種修復能力會被超越，導致修復不，正常腎實質被纖維組織取代，即腎小管和間質纖維化，從而引發(fā)慢性腎臟病（CKD）。盡管已發(fā)現(xiàn)與內在修復相關的通路，但目前針對CKD的治療方法有限，部分原因是動物研究向臨床轉化的難度較大。

Navin Gupta et al.研究團隊利用人類多能干細胞（hPSCs）生成了腎臟類器官，模擬腎臟發(fā)育過程，并使其實現(xiàn)了多區(qū)域分化，包括近曲小管、亨利氏袢和遠曲小管等。

通過使用cisplatin（順鉑）對腎臟類器官進行處理，模擬急性腎損傷（AKI）并研究其后的修復過程。低濃度的cisplatin能夠特異性地損傷近曲小管細胞，誘導DNA雙鏈斷裂。對腎臟類器官樣本進行單核RNA測序，以評估在從內在修復到修復不的轉變過程中關鍵細胞群的轉錄變化。

（一）腎臟類器官的生成步驟

時間點

操作或條件

目的或結果

第0天

從人類多能干細胞（hPSCs）開始培養(yǎng)

誘導分化為腎臟類器官的起始細胞

第8天

通過特定的分化步驟，誘導形成具有SIX2+腎元祖細胞（NPCs）和MEIS1+間質祖細胞（SPCs）的腎元基間充質細胞（MM）

誘導腎元和間質祖細胞的形成

第11天

將細胞轉移到低黏附96孔板中進行懸浮培養(yǎng)，形成腎元前體細胞聚集體

促進腎臟類器官的初步形成

第14天

細胞進一步分化為腎小球囊狀體

腎臟類器官發(fā)育的關鍵階段

第21天

進行免疫染色檢測，確認腎元祖細胞和間質細胞的標記物表達

確認腎臟類器官的多區(qū)域分化

第35天

更換為含有特定生長因子的基礎培養(yǎng)基，以促進腎臟類器官的成熟

促進腎臟類器官的成熟和功能化

第49天

繼續(xù)培養(yǎng)并監(jiān)測腎臟類器官的成熟情況

腎臟類器官逐漸成熟，表現(xiàn)出與成人腎臟相似的基因表達模式

（二）cisplatin損傷模型的建立

時間點

操作或條件

目的或結果

第49天

將腎臟類器官分為實驗組和對照組，實驗組加入含有5 μM cisplatin的基礎培養(yǎng)基，對照組僅加入基礎培養(yǎng)基

誘導腎臟類器官的急性損傷

第50天

24小時后，進行全培養(yǎng)基更換，以清除cisplatin

移除cisplatin，模擬臨床治療后的恢復期

第52-53天、56-57天、59-60天、63-64天

每周進行兩次cisplatin處理，共進行五次處理

通過重復損傷模擬慢性腎臟病的進展

每次處理后

收集樣本進行RT-qPCR和免疫染色等分析

評估DNA損傷、細胞周期狀態(tài)和腎臟類器官的結構變化

第64天

完成五次cisplatin處理后，對腎臟類器官進行最終分析

觀察到重復cisplatin損傷導致的修復不，表現(xiàn)為腎小管、間質纖維化和αSMA+PDGFR-β+肌成纖維細胞的出現(xiàn)

（三）實驗結果

• 腎臟類器官的成熟與損傷反應：隨著培養(yǎng)時間的推移，腎臟類器官逐漸成熟，表現(xiàn)出與成人腎臟相似的基因表達模式。在cisplatin處理后，近曲小管細胞表現(xiàn)出DNA損傷反應，并激活了同源重組修復（HDR）相關的基因表達。

• cisplatin損傷后的修復機制：研究發(fā)現(xiàn)，在單次低濃度cisplatin損傷后，近曲小管細胞能夠通過激活HDR機制實現(xiàn)內在修復，恢復到接近正常的狀態(tài)。然而，在重復cisplatin損傷后，細胞的修復能力逐漸下降，表現(xiàn)為DNA損傷加劇、細胞周期停滯在G2/M期，以及腎小管結構的破壞。

• HDR基因的表達與修復狀態(tài)的相關性：通過單核RNA測序分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在內在修復階段，與HDR相關的基因（如FANCD2和RAD51）表達上調，而在修復不全階段，這些基因的表達顯著降低。

（四）技 術 展 望：Kirkstall Quasi Vivo是一種先進的類器官串聯(lián)芯片動態(tài)構建系統(tǒng)，具有模擬體內組織和器官間相互作用的能力

4.1 提升腎臟類器官的成熟度和功能復雜性

• 原文構建的腎臟類器官雖然在一定程度上模擬了腎臟的發(fā)育和損傷修復過程，但其成熟度和功能復雜性仍有待提高。Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)能夠通過串聯(lián)多個含有不同類型腎臟類器官或與其他相關組織類器官（如血管類器官、免疫細胞類器官等）的芯片，構建出更接近體內真實環(huán)境的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)。這有助于促進腎臟類器官之間的相互作用和信號傳遞，使其在結構和功能上更加成熟，更好地模擬腎臟的生理和病理過程。

4.2 動態(tài)模擬腎臟損傷和修復過程

• 借助Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)的動態(tài)培養(yǎng)功能，可以更精確地模擬腎臟損傷和修復的動態(tài)過程。通過在芯片中引入cisplatin等損傷因素，并實時監(jiān)測腎臟類器官的生理和生化變化，如細胞的DNA損傷反應、細胞周期變化、細胞凋亡和增殖等，能夠更深入地了解腎臟損傷的發(fā)生機制和修復動態(tài)。同時，還可以觀察不同損傷程度和修復階段下類器官間的相互影響，為研究腎臟疾病的進展和尋找有效的治療策略提供更準確的模型。

4.3 探索腎臟疾病中的細胞間通訊和組織間相互作用

• Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)為研究腎臟疾病中細胞間通訊和組織間相互作用提供了的平臺。在原文的研究中，發(fā)現(xiàn)了近曲小管細胞在損傷后與間質細胞之間的相互作用對腎臟纖維化的影響。利用Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)，可以進一步深入研究腎臟內不同細胞類型（如腎小管上皮細胞、間質細胞、免疫細胞等）之間的通訊方式和信號通路，以及這些相互作用如何影響腎臟的損傷和修復過程。此外，還可以研究腎臟與其他器官（如肝臟、心臟等）之間的遠程通訊和相互影響，為理解腎臟疾病在全身系統(tǒng)中的作用和尋找綜合治療方案提供依據(jù)。

4.4 加速藥物篩選和毒性評估

• 原文通過單核RNA測序和藥物篩選實驗，發(fā)現(xiàn)了SCR7等潛在的治療藥物。Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)的高通量篩選和動態(tài)培養(yǎng)能力可以進一步加速藥物篩選過程，提高篩選效率。通過在串聯(lián)芯片中同時培養(yǎng)多個腎臟類器官，并分別暴露于不同的藥物或藥物組合，可以實時監(jiān)測藥物對腎臟類器官的保護作用和毒性影響，快速篩選出具有潛在治療價值的藥物。同時，該系統(tǒng)還能夠模擬藥物在體內的代謝和分布過程，更準確地預測藥物在體內的療效和安全性，減少臨床試驗的失敗率。

4.5 促進個性化醫(yī)療的發(fā)展

• 通過將患者來源的誘導多能干細胞（iPSCs）制備的腎臟類器官與Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)相結合，可以構建出個性化的腎臟疾病模型。這將有助于深入研究個體患者腎臟疾病的發(fā)病機制和病理生理特點，為個性化醫(yī)療提供更精準的診斷和治療依據(jù)。在藥物治療方面，可以利用該系統(tǒng)對不同患者的腎臟類器官進行藥物篩選和療效評估，為患者量身定制最合適的治療方案，提高治療效果并減少不良反應。

4.6 長期研究慢性腎臟病的進展和機制

• 慢性腎臟病（CKD）是一種漸進性疾病，其發(fā)病機制復雜且多因素參與。Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)的長期動態(tài)培養(yǎng)能力為研究CKD的長期進展和機制提供了可能。通過在芯片中長期培養(yǎng)腎臟類器官，并模擬CKD的慢性損傷因素（如高血壓、糖尿病等），可以觀察腎臟類器官在長期損傷下的結構和功能變化，深入了解CKD的病理生理進程。此外，還可以結合基因編輯技術，研究特定基因在CKD長期進展中的作用，為開發(fā)針對CKD的早期干預和治療策略提供重要信息。

4.7 推動腎臟再生醫(yī)學的發(fā)展

• 隨著對腎臟類器官研究的不斷深入和Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)等先進平臺的應用，有望在腎臟再生醫(yī)學領域取得突破性進展。通過優(yōu)化類器官的培養(yǎng)條件和構建更復雜的體內模擬環(huán)境，可以提高腎臟類器官的功能和成熟度，使其更接近正常腎臟組織。在未來的臨床應用中，或許可以利用患者自身的干細胞制備的腎臟類器官進行移植治療，為終末期腎病患者提供新的治療選擇。同時，該系統(tǒng)還可以用于研究腎臟組織工程和再生醫(yī)學中的關鍵問題，如類器官的血管化、神經(jīng)支配和與宿主組織的整合等，為實現(xiàn)腎臟再生醫(yī)學的臨床應用奠定基礎。

北京基爾比生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉細胞培養(yǎng)儀，

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