用三维图像量化肾类器官的小管变化

麻省总医院与哈佛医学院团队将人诱导多能干细胞培养成肾类器官,并建立自动成像流程。研究者对整个类器官进行透明化、共聚焦逐层成像,再用图像分类算法识别近端小管等结构,计算每个结构及每个类器官的小管体积。药物处理后的变化由此落实到具体肾单位结构的三维形态读数。

研究以顺铂造成的小管损伤为测试情境。团队把一套已获 FDA 批准的药物库逐药加入类器官,在初筛中每种药物对应一个类器官。初筛用于寻找形态读数异常的候选;论文没有报告可据以核定的药库总数。

原创横版图,示意肾类器官经三维成像后量化小管体积、结构数量与损伤标志。
肾类器官三维成像与小管形态读数的概念示意。(J&E Bio)

初筛后分别核查毒性与潜在保护作用

按近端小管体积的标准化读数,研究者从初筛挑选两类药物复测:一类进一步减少小管结构,另一类可能减轻顺铂造成的形态损失。部分药物在重复实验中表现出小管毒性,作者也检查了足细胞相关结构;不同肾单位区域没有被视作同一个总读数。

在顺铂共处理实验中,团队复测了伊马替尼、替扎尼定和奥洛他定,并额外评估奥美沙坦。伊马替尼对整个类器官的近端小管总体积呈改善趋势;按单个近端小管结构计算,体积改善达到统计学差异。该研究还观察到近端小管细胞内 DNA 损伤标志减少。

复测结果分出不同层次:奥美沙坦仅见总体积保留趋势,替扎尼定和奥洛他定没有得到与伊马替尼相同的结构改善证据。论文讨论的是体外肾损伤模型中的候选效应,尚无患者保护效果数据。

三维药筛的价值与当前效率边界

这项工作把类器官不同肾单位区域的三维结构纳入读数,并用选药复测检查初筛信号。初筛每药仅一个类器官,候选信号需要重复实验支持,研究也按这一顺序推进。

作者报告,在现有共聚焦设备上获取一块 96 孔板的完整逐层图像约需 6 小时,且某个复测图像还需要重新训练分类流程。后续扩大药物测试规模,取决于成像速度、自动分类可靠性以及更多候选的独立验证。

来源与延伸阅读

  1. Advancing preclinical drug evaluation through automated 3D imaging for high-throughput screening with kidney organoids. Biofabrication (2024). doi:10.1088/1758-5090/ad38df ↗