顺铂处理肾脏类器官，模拟急性肾损伤（AKI）并研究其后修复过程

肾脏具有一定的自我修复能力，能够维持肾脏结构并恢复到基态。然而，当损伤过于严重或反复发生时，这种修复能力会被超越，导致修复不完全，正常肾实质被纤维组织取代，即肾小管萎缩和间质纤维化，从而引发慢性肾脏病（CKD）。尽管已发现与内在修复相关的通路，但目前针对CKD的治疗方法有限，部分原因是动物研究向临床转化的难度较大。

Navin Gupta et al.研究团队利用人类多能干细胞（hPSCs）生成了肾脏类器官，模拟肾脏发育过程，并使其实现了多区域分化，包括近曲小管、亨利氏袢和远曲小管等。

通过使用cisplatin（顺铂）对肾脏类器官进行处理，模拟急性肾损伤（AKI）并研究其后的修复过程。低浓度的cisplatin能够特异性地损伤近曲小管细胞，诱导DNA双链断裂。对肾脏类器官样本进行单核RNA测序，以评估在从内在修复到修复不完全的转变过程中关键细胞群的转录变化。

（一）肾脏类器官的生成步骤

时间点

操作或条件

目的或结果

第0天

从人类多能干细胞（hPSCs）开始培养

诱导分化为肾脏类器官的起始细胞

第8天

通过特定的分化步骤，诱导形成具有SIX2+肾元祖细胞（NPCs）和MEIS1+间质祖细胞（SPCs）的肾元基间充质细胞（MM）

诱导肾元和间质祖细胞的形成

第11天

将细胞转移到低黏附96孔板中进行悬浮培养，形成肾元前体细胞聚集体

促进肾脏类器官的初步形成

第14天

细胞进一步分化为肾小球囊状体

肾脏类器官发育的关键阶段

第21天

进行免疫染色检测，确认肾元祖细胞和间质细胞的标记物表达

确认肾脏类器官的多区域分化

第35天

更换为含有特定生长因子的基础培养基，以促进肾脏类器官的成熟

促进肾脏类器官的成熟和功能化

第49天

继续培养并监测肾脏类器官的成熟情况

肾脏类器官逐渐成熟，表现出与成人肾脏相似的基因表达模式

（二）cisplatin损伤模型的建立

时间点

操作或条件

目的或结果

第49天

将肾脏类器官分为实验组和对照组，实验组加入含有5 μM cisplatin的基础培养基，对照组仅加入基础培养基

诱导肾脏类器官的急性损伤

第50天

24小时后，进行全培养基更换，以清除cisplatin

移除cisplatin，模拟临床治疗后的恢复期

第52-53天、56-57天、59-60天、63-64天

每周进行两次cisplatin处理，共进行五次处理

通过重复损伤模拟慢性肾脏病的进展

每次处理后

收集样本进行RT-qPCR和免疫染色等分析

评估DNA损伤、细胞周期状态和肾脏类器官的结构变化

第64天

完成五次cisplatin处理后，对肾脏类器官进行最终分析

观察到重复cisplatin损伤导致的修复不完全，表现为肾小管萎缩、间质纤维化和αSMA+PDGFR-β+肌成纤维细胞的出现

（三）实验结果

• 肾脏类器官的成熟与损伤反应：随着培养时间的推移，肾脏类器官逐渐成熟，表现出与成人肾脏相似的基因表达模式。在cisplatin处理后，近曲小管细胞表现出DNA损伤反应，并激活了同源重组修复（HDR）相关的基因表达。
• cisplatin损伤后的修复机制：研究发现，在单次低浓度cisplatin损伤后，近曲小管细胞能够通过激活HDR机制实现内在修复，恢复到接近正常的状态。然而，在重复cisplatin损伤后，细胞的修复能力逐渐下降，表现为DNA损伤加剧、细胞周期停滞在G2/M期，以及肾小管结构的破坏。
• HDR基因的表达与修复状态的相关性：通过单核RNA测序分析，研究团队发现，在内在修复阶段，与HDR相关的基因（如FANCD2和RAD51）表达上调，而在修复不完全阶段，这些基因的表达显著降低。

（四）技 术 展 望：Kirkstall Quasi Vivo是一种先进的类器官串联芯片动态构建系统，具有模拟体内组织和器官间相互作用的能力

4.1 提升肾脏类器官的成熟度和功能复杂性

• 原文构建的肾脏类器官虽然在一定程度上模拟了肾脏的发育和损伤修复过程，但其成熟度和功能复杂性仍有待提高。Kirkstall Quasi Vivo系统能够通过串联多个含有不同类型肾脏类器官或与其他相关组织类器官（如血管类器官、免疫细胞类器官等）的芯片，构建出更接近体内真实环境的动态培养系统。这有助于促进肾脏类器官之间的相互作用和信号传递，使其在结构和功能上更加成熟，更好地模拟肾脏的生理和病理过程。

4.2 动态模拟肾脏损伤和修复过程

• 借助Kirkstall Quasi Vivo系统的动态培养功能，可以更精确地模拟肾脏损伤和修复的动态过程。通过在芯片中引入cisplatin等损伤因素，并实时监测肾脏类器官的生理和生化变化，如细胞的DNA损伤反应、细胞周期变化、细胞凋亡和增殖等，能够更深入地了解肾脏损伤的发生机制和修复动态。同时，还可以观察不同损伤程度和修复阶段下类器官间的相互影响，为研究肾脏疾病的进展和寻找有效的治疗策略提供更准确的模型。

4.3 探索肾脏疾病中的细胞间通讯和组织间相互作用

• Kirkstall Quasi Vivo系统为研究肾脏疾病中细胞间通讯和组织间相互作用提供了独特的平台。在原文的研究中，发现了近曲小管细胞在损伤后与间质细胞之间的相互作用对肾脏纤维化的影响。利用Kirkstall Quasi Vivo系统，可以进一步深入研究肾脏内不同细胞类型（如肾小管上皮细胞、间质细胞、免疫细胞等）之间的通讯方式和信号通路，以及这些相互作用如何影响肾脏的损伤和修复过程。此外，还可以研究肾脏与其他器官（如肝脏、心脏等）之间的远程通讯和相互影响，为理解肾脏疾病在全身系统中的作用和寻找综合治疗方案提供依据。

4.4 加速药物筛选和毒性评估

• 原文通过单核RNA测序和药物筛选实验，发现了SCR7等潜在的治疗药物。Kirkstall Quasi Vivo系统的高通量筛选和动态培养能力可以进一步加速药物筛选过程，提高筛选效率。通过在串联芯片中同时培养多个肾脏类器官，并分别暴露于不同的药物或药物组合，可以实时监测药物对肾脏类器官的保护作用和毒性影响，快速筛选出具有潜在治疗价值的药物。同时，该系统还能够模拟药物在体内的代谢和分布过程，更准确地预测药物在体内的疗效和安全性，减少临床试验的失败率。

4.5 促进个性化医疗的发展

• 通过将患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）制备的肾脏类器官与Kirkstall Quasi Vivo系统相结合，可以构建出个性化的肾脏疾病模型。这将有助于深入研究个体患者肾脏疾病的发病机制和病理生理特点，为个性化医疗提供更精准的诊断和治疗依据。在药物治疗方面，可以利用该系统对不同患者的肾脏类器官进行药物筛选和疗效评估，为患者量身定制最合适的治疗方案，提高治疗效果并减少不良反应。

4.6 长期研究慢性肾脏病的进展和机制

• 慢性肾脏病（CKD）是一种渐进性疾病，其发病机制复杂且多因素参与。Kirkstall Quasi Vivo系统的长期动态培养能力为研究CKD的长期进展和机制提供了可能。通过在芯片中长期培养肾脏类器官，并模拟CKD的慢性损伤因素（如高血压、糖尿病等），可以观察肾脏类器官在长期损伤下的结构和功能变化，深入了解CKD的病理生理进程。此外，还可以结合基因编辑技术，研究特定基因在CKD长期进展中的作用，为开发针对CKD的早期干预和治疗策略提供重要信息。

4.7 推动肾脏再生医学的发展

• 随着对肾脏类器官研究的不断深入和Kirkstall Quasi Vivo系统等先进平台的应用，有望在肾脏再生医学领域取得突破性进展。通过优化类器官的培养条件和构建更复杂的体内模拟环境，可以提高肾脏类器官的功能和成熟度，使其更接近正常肾脏组织。在未来的临床应用中，或许可以利用患者自身的干细胞制备的肾脏类器官进行移植治疗，为终末期肾病患者提供新的治疗选择。同时，该系统还可以用于研究肾脏组织工程和再生医学中的关键问题，如类器官的血管化、神经支配和与宿主组织的整合等，为实现肾脏再生医学的临床应用奠定基础。