用于组织荧光成像的显微镜。
用于组织荧光成像的显微镜。(ZEISS Microscopy / Wikimedia Commons;CC BY-SA 2.0)

把人源肾组织放入宿主循环

美国 Goldfinch Bio 等团队在 Science Advances 报道人肾类器官药物评价研究。团队将诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)形成的肾类器官移植到大鼠,以检验口服药物能否进入人源组织,并观察足细胞的药物反应。

候选药 GFB-887 抑制瞬时受体电位经典型通道 5(transient receptor potential canonical 5,TRPC5)。足细胞构成肾小球滤过屏障,研究选择硫酸鱼精蛋白诱导的急性损伤,比较抑制 TRPC5 后细胞骨架与相关蛋白是否得到保护。

这套研究同时保留两类环境:体外类器官用于直接比较药物作用,移植类器官则接入大鼠循环,用于检查全身给药后的暴露和人源组织反应。宿主负责药物分布与代谢。

培养阶段与移植时间影响组织成熟

团队调整细胞接种、分化和转移条件,每批可产生约 500 个类器官。体外细胞分析覆盖 24 个类器官、204748 个细胞;分化阶段之间的组成差异明显大于同阶段重复之间的差异。

表达面板共包含 228 个基因,其中 6 个作为归一化参照。早期分化、成熟足细胞及非目标细胞标志共同帮助判断组织质量,减少仅凭外观挑选类器官的局限。

单细胞分析用于识别足细胞、肾小管细胞及偏离目标分化的细胞。团队还采用 NanoString 表达面板,较早判断一批类器官是否具有继续分化的质量,并跟踪移植前后的变化。

移植比较分别使用体外培养第 10、12 或 14 天的类器官,再在大鼠中生长 2 或 4 周。移植后的单细胞资料来自 18 个类器官、143475 个细胞,包含 3 个错峰安排的分化批次。

体内培养延长至 4 周后,足细胞和近端肾小管细胞比例增加,足细胞转录状态更接近人肾参照。第 14 天移植并继续培养 4 周,在本文比较中具有较好的血管化和足细胞成熟表现。

移植时间延长后,足细胞与近端肾小管比例增加,但非目标细胞比例也有上升趋势,该比较未达到统计显著性。成熟和细胞组成的变化因而需要分别观察。

组织中主要血管来源于大鼠,也检测到人源内皮。移植促进已有细胞谱系进一步成熟,未显示由此产生新的细胞谱系。

体外试验比较 GFB-887 与环孢素 A

团队先在表达人 TRPC5 的人胚肾 HEK293 细胞上进行膜片钳检测,GFB-887 的半数抑制浓度约为 0.037 μM。随后在肾类器官中确认 TRPC5 的表达及其与足细胞标志的关联。

第 24–28 天类器官接受 GFB-887 或环孢素 A 处理,再施加硫酸鱼精蛋白损伤。荧光图像用于观察足细胞区域的肌动蛋白聚集,并以相同处理的溶剂和损伤组作为比较。

两种药物均减少损伤相关的肌动蛋白聚集,合用未显示叠加保护。作者将其与共同影响钙调神经磷酸酶及足细胞骨架调节的机制联系。

这部分提供直接药理反应,移植后的研究则进一步回答药物能否到达人源组织。类器官中的表达、损伤模型与药物浓度检测在不同实验中完成。

口服药物到达人源组织后仍显示保护

药代试验每组至少 4 只大鼠,以 10 mg/kg 剂量连续 3 天口服 GFB-887。质谱检测在血浆、宿主肾脏和移植类器官中检出药物;类器官浓度在数值量级上接近血浆,宿主肾脏通常高于血浆。组织按质量归一化,血浆按体积报告。

移植 2 周时已经获得可测量暴露,延长至 4 周并未进一步提高类器官药物水平。团队因此分别评价血管连接是否支持药物进入,以及足细胞成熟程度是否适于药效观察。

在第 14 天移植并继续培养 4 周的模型中,损伤使足细胞骨架相关蛋白突触足蛋白(synaptopodin)的丰度下降。提前口服 GFB-887(10 mg/kg),或将药物(3 μM)与损伤刺激共同灌流,均保留了较多该蛋白;相邻大鼠肾脏也出现保护。

溶剂对照和损伤组各包含 2 只大鼠,口服及共同灌流药物组各为 3 只。图像分析从每组获得多个肾小球结构,类器官各条件的结构数为 56–89,宿主肾脏为 70–147;这些图像单位与动物数分别记录。

移植人肾类器官仍依赖宿主的循环与药代

人源组织与相邻大鼠肾脏放在同一切片环境中成像,减少两者制备和检测条件的差别。足细胞区域通过相应标志限定,蛋白丰度和肌动蛋白强度分别定量。

研究使用单一 iPSC 细胞系,围绕 TRPC5 与急性足细胞损伤建立证据。宿主循环使全身给药能够到达人源组织,整体药代仍受大鼠生理支配。

作者在 2022 年据此支持当时的候选药开发;慢性肾病与不同患者背景仍超出本次实验范围。

来源与延伸阅读

  1. Transplanted organoids empower human preclinical assessment of drug candidate for the clinic. Science Advances. 2022. doi:10.1126/sciadv.abj5633 ↗