腎臟具有一定的自我修復(fù)能力，能夠維持腎臟結(jié)構(gòu)并恢復(fù)到基態(tài)。然而，當(dāng)損傷過于嚴(yán)重或反復(fù)發(fā)生時，這種修復(fù)能力會被超越，導(dǎo)致修復(fù)不，正常腎實(shí)質(zhì)被纖維組織取代，即腎小管和間質(zhì)纖維化，從而引發(fā)慢性腎臟?。–KD）。盡管已發(fā)現(xiàn)與內(nèi)在修復(fù)相關(guān)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(zhuǎn)化的難度較大。

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

通過使用cisplatin（順鉑）對腎臟類器官進(jìn)行處理，模擬急性腎損傷（AKI）并研究其后的修復(fù)過程。低濃度的cisplatin能夠特異性地?fù)p傷近曲小管細(xì)胞，誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂。對腎臟類器官樣本進(jìn)行單核RNA測序，以評估在從內(nèi)在修復(fù)到修復(fù)不的轉(zhuǎn)變過程中關(guān)鍵細(xì)胞群的轉(zhuǎn)錄變化。

（一）腎臟類器官的生成步驟

時間點(diǎn)

操作或條件

目的或結(jié)果

第0天

從人類多能干細(xì)胞（hPSCs）開始培養(yǎng)

誘導(dǎo)分化為腎臟類器官的起始細(xì)胞

第8天

通過特定的分化步驟，誘導(dǎo)形成具有SIX2+腎元祖細(xì)胞（NPCs）和MEIS1+間質(zhì)祖細(xì)胞（SPCs）的腎元基間充質(zhì)細(xì)胞（MM）

誘導(dǎo)腎元和間質(zhì)祖細(xì)胞的形成

第11天

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

促進(jìn)腎臟類器官的初步形成

第14天

細(xì)胞進(jìn)一步分化為腎小球囊狀體

腎臟類器官發(fā)育的關(guān)鍵階段

第21天

進(jìn)行免疫染色檢測，確認(rèn)腎元祖細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)記物表達(dá)

確認(rèn)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(chǔ)培養(yǎng)基，以促進(jìn)腎臟類器官的成熟

促進(jìn)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(dá)模式

（二）cisplatin損傷模型的建立

時間點(diǎn)

操作或條件

目的或結(jié)果

第49天

將腎臟類器官分為實(shí)驗(yàn)組和對照組，實(shí)驗(yàn)組加入含有5 μM cisplatin的基礎(chǔ)培養(yǎng)基，對照組僅加入基礎(chǔ)培養(yǎng)基

誘導(dǎo)腎臟類器官的急性損傷

第50天

24小時后，進(jìn)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(fù)期

第52-53天、56-57天、59-60天、63-64天

每周進(jìn)行兩次cisplatin處理，共進(jìn)行五次處理

通過重復(fù)損傷模擬慢性腎臟病的進(jìn)展

每次處理后

收集樣本進(jìn)行RT-qPCR和免疫染色等分析

評估DNA損傷、細(xì)胞周期狀態(tài)和腎臟類器官的結(jié)構(gòu)變化

第64天

完成五次cisplatin處理后，對腎臟類器官進(jìn)行最終分析

觀察到重復(fù)cisplatin損傷導(dǎo)致的修復(fù)不，表現(xiàn)為腎小管、間質(zhì)纖維化和αSMA+PDGFR-β+肌成纖維細(xì)胞的出現(xiàn)

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 腎臟類器官的成熟與損傷反應(yīng)：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(dá)模式。在cisplatin處理后，近曲小管細(xì)胞表現(xiàn)出DNA損傷反應(yīng)，并激活了同源重組修復(fù)（HDR）相關(guān)的基因表達(dá)。

• cisplatin損傷后的修復(fù)機(jī)制：研究發(fā)現(xiàn)，在單次低濃度cisplatin損傷后，近曲小管細(xì)胞能夠通過激活HDR機(jī)制實(shí)現(xiàn)內(nèi)在修復(fù)，恢復(fù)到接近正常的狀態(tài)。然而，在重復(fù)cisplatin損傷后，細(xì)胞的修復(fù)能力逐漸下降，表現(xiàn)為DNA損傷加劇、細(xì)胞周期停滯在G2/M期，以及腎小管結(jié)構(gòu)的破壞。

• HDR基因的表達(dá)與修復(fù)狀態(tài)的相關(guān)性：通過單核RNA測序分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)在修復(fù)階段，與HDR相關(guān)的基因（如FANCD2和RAD51）表達(dá)上調(diào)，而在修復(fù)不全階段，這些基因的表達(dá)顯著降低。

（四）技 術(shù) 展 望：Kirkstall Quasi Vivo是一種先進(jìn)的類器官串聯(lián)芯片動態(tài)構(gòu)建系統(tǒng)，具有模擬體內(nèi)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(fù)雜性

• 原文構(gòu)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(fù)過程，但其成熟度和功能復(fù)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(guān)組織類器官（如血管類器官、免疫細(xì)胞類器官等）的芯片，構(gòu)建出更接近體內(nèi)真實(shí)環(huán)境的動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)。這有助于促進(jìn)腎臟類器官之間的相互作用和信號傳遞，使其在結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)的動態(tài)過程。通過在芯片中引入cisplatin等損傷因素，并實(shí)時監(jiān)測腎臟類器官的生理和生化變化，如細(xì)胞的DNA損傷反應(yīng)、細(xì)胞周期變化、細(xì)胞凋亡和增殖等，能夠更深入地了解腎臟損傷的發(fā)生機(jī)制和修復(fù)動態(tài)。同時，還可以觀察不同損傷程度和修復(fù)階段下類器官間的相互影響，為研究腎臟疾病的進(jìn)展和尋找有效的治療策略提供更準(zhǔn)確的模型。

4.3 探索腎臟疾病中的細(xì)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(xì)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(xì)胞在損傷后與間質(zhì)細(xì)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(jìn)一步深入研究腎臟內(nèi)不同細(xì)胞類型（如腎小管上皮細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)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(fù)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(shí)時監(jiān)測藥物對腎臟類器官的保護(hù)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(nèi)的代謝和分布過程，更準(zhǔn)確地預(yù)測藥物在體內(nèi)的療效和安全性，減少臨床試驗(yàn)的失敗率。

4.5 促進(jìn)個性化醫(yī)療的發(fā)展

• 通過將患者來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）制備的腎臟類器官與Kirkstall Quasi Vivo系統(tǒng)相結(jié)合，可以構(gòu)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(jī)制和病理生理特點(diǎn)，為個性化醫(yī)療提供更精準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)。

4.6 長期研究慢性腎臟病的進(jìn)展和機(jī)制

• 慢性腎臟?。–KD）是一種漸進(jìn)性疾病，其發(fā)病機(jī)制復(fù)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(jìn)展和機(jī)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(jié)構(gòu)和功能變化，深入了解CKD的病理生理進(jìn)程。此外，還可以結(jié)合基因編輯技術(shù)，研究特定基因在CKD長期進(jìn)展中的作用，為開發(fā)針對CKD的早期干預(yù)和治療策略提供重要信息。

4.7 推動腎臟再生醫(yī)學(xué)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(jìn)平臺的應(yīng)用，有望在腎臟再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。通過優(yōu)化類器官的培養(yǎng)條件和構(gòu)建更復(fù)雜的體內(nèi)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(yīng)用中，或許可以利用患者自身的干細(xì)胞制備的腎臟類器官進(jìn)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(xué)中的關(guān)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(shí)現(xiàn)腎臟再生醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

北京基爾比生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)儀，

Kilby Gravite微/超重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨機(jī)定位儀，

類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall 類器官串聯(lián)芯片灌流仿生構(gòu)建系統(tǒng)