由肾脏细胞组成的肾类器官截面概念插画。
肾类器官截面示意。(Ryan Kissinger / NIAID Visual & Medical Arts / NIH BioArt Source;Public domain)

在分化早期提高近端小管相关细胞比例

近端小管承担多种药物的转运,也是顺铂等药物造成肾损伤的重要部位。美国南加州大学与宾夕法尼亚大学团队在 Nature Communications 报告了一项培养条件研究:在人多能干细胞分化为肾组织的过程中,短暂改变细胞信号,使类器官形成更多近端小管相关细胞。

团队使用 2 条人诱导多能干细胞(iPSC)系,其中 1 条带有肝细胞核因子 4α(HNF4A)荧光报告。常规分化第 7 天将约 20 万个细胞聚集,随后放到膜上培养;实验组在第 10–12 天加入 10 μM LY294002,抑制磷脂酰肌醇 3-激酶(PI3K),再撤去该化合物继续分化。形成的模型被作者称为近端小管偏向型肾类器官。

第 18 天,HNF4A 报告阳性细胞比例由常规条件的 3.78% 增至 10.14%。近端小管相关管段数量约为对照的 4.02 倍,单个管段面积约为 1.30 倍,总管段面积约为 2.83 倍。这些测量分别描述细胞比例、结构数量与面积,模型仍保留其他肾单位相关细胞。

团队还在撤去 LY294002 后的第 12–14 天加入 Notch 信号抑制剂 DAPT,常规与近端偏向模型的 HNF4A 阳性结构均减少。结果支持 Notch 参与近端细胞形成,也为 PI3K 抑制如何改变分化方向提供了机制证据。

近端小管表达转运相关基因,摄取功能增强

第 21 和第 27 天的单核 RNA 测序显示,近端小管相关细胞表达多种成熟及药物转运相关基因,包括 OCT2、OAT1 和 OAT3;钠–葡萄糖协同转运蛋白 SGLT2 的表达仍较稀少。基因表达变化提示模型向更成熟状态发展,各转运体是否具有相应药物运输能力仍需功能试验。

团队还在第 21 天加入荧光葡聚糖与白蛋白,暴露 18 小时后测量摄取。新模型的葡聚糖摄取约为常规类器官的 1.61 倍,白蛋白摄取约为 2.92 倍。葡聚糖图像定量来自 3 个类器官、每个 3 幅图像。

反复顺铂暴露引起损伤标志和管腔变化

损伤试验在第 18 天开始:加入 5 μM 顺铂 18 小时,恢复培养 1 天后,再进行 1 次相同浓度和时长的暴露。研究同时比较常规与近端小管偏向型类器官,各自设置未损伤对照。

顺铂处理后,肾损伤分子 1(KIM-1)及其编码基因 HAVCR1 增加,DNA 损伤标志 γH2AX 升高,部分管腔塌陷。未经处理的新模型具有较长管腔,损伤后这一结构优势减弱。HNF4A 表达较高的近端细胞中,γH2AX 往往较低,提示不同细胞状态的损伤反应存在差异。

在另一组单次顺铂暴露后的追踪中,团队观察到 HNF4A 较高、SOX9 较低的细胞状态,逐渐转为 HNF4A 较低、SOX9 较高的状态。作者将其与损伤后的适应和修复反应联系起来,并提出进一步追踪细胞状态、检验模型再生能力的计划。

已检测到转运体表达,药物运输功能仍待验证

当前类器官的成熟程度仍有限,也缺少持续血流和管腔灌流。已检测到的药物转运体表达需要逐项对应到实际运输功能;更长期的损伤与恢复追踪,则有助于区分短期适应、可逆修复和持续病理变化。

来源与延伸阅读

  1. Controlling nephron precursor differentiation to generate proximal-biased kidney organoids with emerging maturity. Nature Communications (2025). ↗