發(fā)布日期：2017-05-17

腎臟是人體非常重要的代謝器官，執(zhí)行著過(guò)濾血液的作用，將一些不需要的廢物以尿液的形式排出。腎小球是腎臟中基本的過(guò)濾單元，人工建造這種“腎小球”模型是一件非常有挑戰(zhàn)的事情。來(lái)自哈佛大學(xué)的科學(xué)家們解決了這一挑戰(zhàn)，他們率先在器官單芯片技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)體外人類腎小球模型的工程化。研究發(fā)表在了《Nature Biomedical Engineering》上。

腎小球的獨(dú)特過(guò)濾功能來(lái)自于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)細(xì)胞。腎小球內(nèi)有三種固有細(xì)胞：系膜細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、足細(xì)胞。足細(xì)胞（podocyte）是位于腎小球毛細(xì)血管基底膜外側(cè)的臟層上皮細(xì)胞，因其胞漿在基底膜表面形成偽足樣突起而得名。足細(xì)胞的長(zhǎng)足突環(huán)繞著毛細(xì)血管，足突之間的裂孔膜是腎小球?yàn)V過(guò)的最后一道屏障，阻斷蛋白質(zhì)、紅血球、血小板等大分子，允許小分子如水分、鹽類及糖類以及其他類型的代謝廢棄物通過(guò)，進(jìn)一步形成尿液。

足細(xì)胞很容易被藥物所損傷，因而對(duì)于以腎臟疾病為目標(biāo)的研究來(lái)說(shuō)，意義重大。想要建立一個(gè)腎小球的模型，深入探測(cè)其功能，或者用于進(jìn)行藥物的腎功能安全性評(píng)價(jià)，足細(xì)胞一個(gè)非常好的切入點(diǎn)。由于足細(xì)胞較為脆弱，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，科學(xué)家們一直試圖通過(guò)干細(xì)胞來(lái)使這種足細(xì)胞能夠工程化，但是，成熟的能夠工程化的足細(xì)胞群此前一直難以獲得。

來(lái)自哈佛大學(xué)威斯研究所的Donald Ingber博士實(shí)現(xiàn)了這一突破，他的團(tuán)隊(duì)將人類誘導(dǎo)的多功能干細(xì)胞（iPS）分化成成熟的足細(xì)胞，有效率可以超過(guò)90%。成熟的工程化的足細(xì)胞是腎小球芯片的重要前提。最初，研究人員嘗試用生物材料來(lái)促進(jìn)細(xì)胞系的功能化，但是失敗了。之后他們開(kāi)始轉(zhuǎn)變思路，不再是僅僅添加可溶性因子，而是將細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的關(guān)鍵作用考慮在內(nèi)，不僅如此，研究人員還考慮到了腎小球中的特殊環(huán)境，指導(dǎo)細(xì)胞和組織分化的機(jī)械力在其中也有重要的作用。

人類干細(xì)胞衍生的成熟足細(xì)胞的掃描電子顯微照片（圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)威斯研究所）

研究的第一作者Samira Musah表示，“我們的方法不僅使用了指導(dǎo)胚胎腎發(fā)育的可溶性因子，而且通過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)組分對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行生長(zhǎng)和分化，這些組分在腎小球血液分離的膜上和泌尿系統(tǒng)中也含有，我們更加密切的模仿足細(xì)胞被誘導(dǎo)和成熟的自然環(huán)境。”

微流體器官芯片裝置（圖片來(lái)源：《Nature Biomedical Engineering》）

研究人員成功的在微流體控制芯片上誘導(dǎo)了這樣的分化過(guò)程。這個(gè)微流體系統(tǒng)與活體腎小球的橫截面很相似，它由光學(xué)透明的、柔性的聚合物材料組成。在芯片上兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的微流體通道由一個(gè)多孔的、細(xì)胞外基質(zhì)包被的膜所分隔，對(duì)應(yīng)腎臟的腎小球基底膜。在膜所面對(duì)的一個(gè)通道中，研究人員培養(yǎng)了腎小球內(nèi)皮細(xì)胞以模擬腎小球的微循環(huán)。在膜的另一側(cè)通道內(nèi)，iPS細(xì)胞培養(yǎng)代表了腎小球的尿室。在這里，iPS細(xì)胞被誘導(dǎo)成為一層成熟的足細(xì)胞，其延長(zhǎng)的足突穿過(guò)膜孔并與對(duì)側(cè)的內(nèi)皮細(xì)胞相接觸。研究人員沒(méi)有選擇傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方式，而是通過(guò)應(yīng)用周期性循環(huán)吸，以每秒一次的頻率，模擬真實(shí)腎小球由于心臟泵血而產(chǎn)生的律動(dòng)變形，從而極高的模仿了真實(shí)的足細(xì)胞誘導(dǎo)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了非常好的成熟率。

微流體器官芯片裝置膜一側(cè)的iPS誘導(dǎo)的成熟足細(xì)胞的足突穿過(guò)膜與對(duì)側(cè)腎小球內(nèi)皮細(xì)胞相接觸（圖片來(lái)源：Nature Biomedical Engineering）

對(duì)于未來(lái)這一模型的應(yīng)用潛力，研究的第一作者Samira Musah談道，我希望我們的發(fā)現(xiàn)和研究戰(zhàn)略在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，可以幫助工程師們開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的人體器官模型。我為這個(gè)工作感到驕傲，因?yàn)樗宫F(xiàn)了在嘗試對(duì)抗在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)復(fù)雜挑戰(zhàn)的時(shí)候，多學(xué)科研究的強(qiáng)大力量。目前，我們正在運(yùn)用這種方法來(lái)研究腎臟疾病的機(jī)制，創(chuàng)造替代動(dòng)物模型用于治療方案的開(kāi)發(fā)。由于在許多腎臟疾病中腎小球足細(xì)胞已損壞或喪失，人類的iPS 來(lái)源的足細(xì)胞也有望用于相關(guān)疾病的細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)。

這對(duì)于由于疾病和衰老導(dǎo)致腎臟問(wèn)題的患者來(lái)說(shuō)，是一個(gè)全新的希望。

參考資料

[1] Instructing stem cells to help form ahuman kidney glomerulus-on-a-chip

[2] Mature induced-pluripotent-stem-cell-derivedhuman podocytes reconstitute kidney glomerular-capillary-wall function on achip

[3] Engineering human stem cells to modelthe kidney’s filtration barrier on a chip

來(lái)源：康健新視野（微信號(hào) HealthHorizon）