近年來，醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展日新月異，為人類健康帶來了前所未有的可能性。最新的研究成果顯示，科學(xué)家們成功開發(fā)出一種具有驚人潛力的腎臟類器官芯片模型。這一創(chuàng)新性技術(shù)不僅為我們提供了了解人體腎臟微觀結(jié)構(gòu)和功能的新視角，更為藥物研發(fā)和疾病治療帶來了前所未有的機遇。讓我們一同探索這一創(chuàng)新技術(shù)的奇妙之處，以及它對未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深遠影響。

腎臟芯片模型和腎臟類器官為臨床前藥物測試提供了新的平臺，這些平臺能夠模擬人體器官的功能和結(jié)構(gòu)。然而，腎毒性在藥物研發(fā)中構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)，目前有2%的臨床前測試失敗是由于腎毒性，而在III期臨床試驗中這個比例上升到19%。盡管先前研究已構(gòu)建多種腎臟芯片與類器官模型，在功能模擬上取得一定成就，但仍存在關(guān)鍵生理特征缺失的局限。

因此，本研究旨在開發(fā)一種創(chuàng)新的血管化腎臟類器官芯片模型，該模型具備可控灌注能力，能夠更貼近地再現(xiàn)腎臟復(fù)雜微環(huán)境。此模型不僅有望提升藥物測試的生理真實性，促進新藥（包括免疫細胞療法）的評估效率，還將深化對腎臟疾病病理機制的理解，為藥物開發(fā)與治療策略提供強有力的支持。

本研究使用胚胎干細胞（ESC）和人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）。ESC在Matrigel中用mTeSR Plus干細胞培養(yǎng)基培養(yǎng)，HUVEC則在內(nèi)皮生長培養(yǎng)基2（EGM-2）中培養(yǎng)。研究建立了一個可灌注的米流體芯片，嵌入在細胞外基質(zhì)中；培養(yǎng)基通過頂部和大血管通道進行滲透。對腎臟類器官遷移的研究使用了兩個通道的芯片：頂部通道種植有腎臟器官，底部通道含有內(nèi)皮細胞。通過灌注，腎臟類器官內(nèi)的內(nèi)源性內(nèi)皮細胞遷移到宏觀血管中，從而形成血管連接。

在芯片上生成可灌注腎類器官的第一步是將內(nèi)皮細胞植入大血管，在植入后兩天會形成融合的內(nèi)皮。隨后，腎臟類器官在靜態(tài)條件下粘附在明膠蛋白基質(zhì)上，并在增加培養(yǎng)基流量之前，它們相互融合，形成一個內(nèi)源性微血管網(wǎng)絡(luò)。為了評估大血管的屏障特性，研究人員使用不同分子量的熒光標記右旋糖酐進行通透性測量。結(jié)果顯示，工程大血管對于較大的葡聚糖具有屏障功能，而最小的葡聚糖則能夠穿過內(nèi)皮化的大血管擴散到周圍的基質(zhì)中。

研究人員對腎類器官芯片模型進行了長達14天的灌注。在此過程中，細胞從腎類器官通過基質(zhì)遷移至內(nèi)皮化的大血管。細胞遷移速度受培養(yǎng)基成分影響，特別是當(dāng)在培養(yǎng)基中添加VEGF時，細胞遷移速度顯著加快，表明細胞對VEGF梯度有反應(yīng)。而當(dāng)使用氨基己酸抑制基質(zhì)降解時，細胞遷移停止，這進一步證明了細胞遷移與其局部降解或改變基質(zhì)的能力密切相關(guān)。

研究人員對腎類器官芯片模型中的內(nèi)皮、腎小球和近端小管細胞進行了標記和觀察。在類器官播種后的不同時間點，大血管中存在融合內(nèi)皮的形成，并觀察到腎小球和腎小管的特征逐漸發(fā)展。特別是在第4天，內(nèi)源性內(nèi)皮細胞在腎小球和近端小管周圍形成了微血管網(wǎng)絡(luò)，并且這些細胞也存在于遷移細胞的前沿。隨著時間的推移，遷移細胞逐漸接近大血管，并在第7天到達大血管。同時，研究人員還觀察到類器官來源的微血管與大血管之間形成了管腔間連接。此外，大血管的管腔直徑在10天內(nèi)減少，這可能是由于細胞外基質(zhì)的降解，導(dǎo)致腔內(nèi)剪切應(yīng)力增加，但仍在生理范圍內(nèi)。

Angiotool分析發(fā)現(xiàn)，盡管腎類器官內(nèi)微血管的總長度在灌注后4-10天保持穩(wěn)定，但遷移網(wǎng)絡(luò)的微血管長度顯著增加，且兩種微血管網(wǎng)絡(luò)的連接密度均下降，可能指向微血管重構(gòu)。基因表達分析顯示，血管生成標志物在腎類器官及其周圍基質(zhì)的微血管中顯著上調(diào)，表明血管細胞正在經(jīng)歷血管生成過程。此外，在大血管和鄰近微血管區(qū)域的血管細胞也在增加。

組織切片染色發(fā)現(xiàn)，與遷移微血管網(wǎng)絡(luò)和大血管緊密相關(guān)的CD31細胞對MEIS1、PDGFRb和ACTA2標記物呈陽性反應(yīng)。納米串基因表達分析發(fā)現(xiàn)腎臟類器官中微血管、伴隨細胞、ECM及基質(zhì)細胞標志物在10天內(nèi)表達顯著增加。在灌注后第10天的組織切片中，出現(xiàn)了具有基質(zhì)/周細胞特征的細胞。此外基質(zhì)沉積和重塑相關(guān)基因的表達上升，抑制基質(zhì)降解會阻止細胞遷移，整合素的上調(diào)也促進了細胞與基質(zhì)的相互作用。這些結(jié)果表明，腎臟類器官微血管的形成與維持依賴于支持細胞降解基質(zhì)并沉積基底膜。

研究團隊利用共聚焦顯微鏡觀察了微血管與大血管的潛在連接點，發(fā)現(xiàn)來自類器官的GFP⁺CD31⁺微血管與來自大血管的GFP^-CD31⁺毛細血管相連接，且連接點位于大血管約150微米處。研究人員通過大血管引入熒光標記葡聚糖并施加壓力梯度，發(fā)現(xiàn)葡聚糖成功分布至微血管網(wǎng)絡(luò)并存在于富含足細胞的微血管中。同時，紅細胞也成功通過微血管網(wǎng)絡(luò)傳遞至毛細血管。此外，納米鏈分析顯示，機械傳感基因在芯片流動下顯著上調(diào)，表明流動對組織有顯著影響。

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本研究成功創(chuàng)建了一種可灌注、血管化的腎臟類器官芯片模型。研究表明內(nèi)皮細胞和類間質(zhì)細胞從腎臟類器官中遷移穿過周圍基質(zhì)到生物工程大血管中，可能是對化學(xué)引誘梯度的反應(yīng)。內(nèi)皮細胞形成的大血管具有屏障功能，并與遷移的微血管形成毛細血管吻合，支持其灌注。研究還展示了葡聚糖和紅細胞可以從大血管經(jīng)過微血管網(wǎng)絡(luò)灌注到腎臟類器官中富含足細胞的聚集體。這一研究為評估藥物候選物（包括基于細胞的治療方法）以及腎臟疾病引起的血管損傷提供了希望。此外，將腎臟類器官構(gòu)建模塊中的內(nèi)源微血管與圖案化的大血管連接的能力為規(guī)?；苽淙祟惸I臟組織以進行治療修復(fù)開辟了新途徑。

參考文獻

Kroll K, Homan K, Uzel SGM, Mata M, Wolf K, Rubins JE, Lewis JA. A perfusable, vascularized kidney organoid-on-chip model. Biofabrication. 2024 Jun 21. doi: 10.1088/1758-5090/ad5ac0. Epub ahead of print. PMID: 38906132.