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(NIH BioArt)。(Ryan Kissinger / NIAID Visual & Medical Arts / NIH BioArt Source;Public domain)

同时考察血管形成与肾组织结构

马斯特里赫特大学(Maastricht University)等机构的团队研究了在人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源肾类器官中加入血管支持的方案。论文发表于 Advanced Healthcare Materials。研究把血管网络、组织结构和药物损伤同时作为评价内容。

系统包含肾类器官、胶原海绵支架,以及可形成血管样网络的基质血管组分细胞。团队先在支架中形成血管网络,再将类器官放入支架体系,并比较静态培养、低流量灌流和较高流量灌流。另一组实验加入猪肾来源的去细胞化细胞外基质,用于考察组织微环境的影响。

为减少不同实验起始状态的差异,团队使用冷冻保存的肾单位祖细胞作为模型来源,并通过血管标志染色检查支架中的网络形成。研究把细胞来源、支架组成和灌流条件作为可分别改变的模块,便于比较各因素对最终组织的作用。

血清补充会影响血管网络形成和肾组织结构。研究中,血清促进了内皮和周细胞相关指标及血管网络形成,团队随后采用较低的补充水平,以兼顾血管形成和类器官结构。作者提出,后续可探索组成更明确的替代培养条件,减少培养材料带来的变异。

高流量灌流增加血管分支,也损伤肾组织结构

在静态条件下,类器官较好地保持了大小、形态和肾小管结构。低流量条件下,组织向支架整合,仍保留部分肾单位样结构;较高流量则造成面积减少、形态破坏和肾小球样结构解体。血管网络的存在,需要与这些组织变化一起解释。

研究量化了血管覆盖比例、长度密度、分支和末端等指标。没有基质包埋时,不同条件的血管覆盖与总长度并未出现统一增加,但部分分支和末端指标上升。结果表明,网络变得更复杂的同时,肾组织本身可能承受更大扰动。

高流量下分支增多,与组织形态破坏同时发生。作者因此提出在血管支持和肾单位保存之间寻找合适条件,并继续检查网络成熟度。支架较厚、组织被包埋等特点也使连续成像更困难,目前部分结构分析依赖实验结束后的染色和定位。

在包含基质血管组分的部分静态条件中,研究者观察到肾小球样区域与内皮网络在空间上接近。作者提出进一步确认这些细胞的来源、成熟程度和精细结构,并增加足细胞相关指标。当前的染色与空间关系主要用于描述早期肾小球样组织的变化。

肾来源基质影响血管网络与组织完整性

肾来源细胞外基质包埋后,类器官尺寸减小,但肾小球样区域可以保留。与胶原支架及血管组分结合时,部分血管长度和末端指标提高。低流量仍较好地保持形态,高流量下组织完整性受到影响,说明基质组成与机械环境需要配合。

胶原支架与肾来源基质提供的环境不同。肾脏原生基底膜富含特定类型的胶原和其他成分,材料的组成及硬度可能影响肾组织保存和血管进入。作者建议继续优化这些材料特征,并检查它们在不同批次中的重复性。

团队还尝试同时加入血管组分细胞,以减少预先形成血管网络的步骤。部分条件得到较复杂的网络,但类器官变小,肾小球样结构受损。这项比较提示,简化培养流程时也需要检查其对组织身份和结构的影响。

他克莫司引起上皮应激和血管结构变化

药物测试使用他克莫司。在悬浮培养的类器官中,结构破坏和细胞毒性随药物浓度升高而加重,半数细胞毒性浓度(CC50)约为 70.87 μM。组织中还出现肾损伤相关指标 KIM-1 增加和血管完整性降低。

单独的血管化支架在受测范围内乳酸脱氢酶释放较低,而含类器官、在低流量下灌流的支架体系在接近上述浓度时出现明显 KIM-1 响应,并伴随内皮结构变化。团队据此比较肾组织与血管支持组成在药物响应中的作用。

KIM-1 与内皮染色提供了不同信息:前者反映损伤相关应激,后者显示血管结构。模型中的肾单位尚处于较早发育状态,作者因此建议配合肾小管、足细胞等更明确的标志,进一步确定损伤发生的位置,并增加实际功能测量。

后续方向包括测试更多肾毒性药物、不同 iPSC 系和分化批次,以及完善灌流、滤过等功能检测。本文为血管化肾类器官及药物损伤检测的概念验证研究。

来源与延伸阅读

  1. Vascularization of Human iPSC-Derived Kidney Organoids Using Perfusion Culture, Pre-Vascularized Collagen Scaffolds, and Decellularized Extracellular Matrix. Advanced Healthcare Materials. 2026-08-10. doi:10.1002/adhm.71526. ↗