Cell Stem Cell | 李中伟团队构建功能性的复合肾脏类器官

肾脏在维持哺乳动物机体稳态中扮演着中心的角色，肾单元是肾脏发挥功能的基本功能单位，人两侧肾约有170～240万个肾单位，这些肾单元过滤血液形成原尿 (人体每天大约有1500升血液通过肾脏)，然后原尿再经由集合管网络重吸收调控身体的水、电解质、以及酸碱pH值的动态平衡，最终形成的尿液存储于膀胱并最终排出体外【1】。由于肾脏不能自我修复，衰老、疾病、药物毒性等原因都会损害肾脏并导致慢性肾病。每七个人中就有一个人患有慢性肾病。慢性肾病会进一步导致终末期肾病 (肾衰竭 ) 。肾衰竭是一种威胁生命的肾脏疾病。截至2022年底，我国登记需要接受肾移植治疗肾衰竭的患者已超过100万【2】。 肾透析可以暂时延续肾衰竭患者生命，然而其医疗费用昂贵，而且治疗手段极大地影响患者的生活质量。即便如此，透析病人 5年期存活率仍然很低。肾移植是目前唯一一种可以根治肾衰竭的治疗方法。然而可用于肾移植的肾源却远远少于所需的数量。如何利用干细胞培育出可替代肾源用以肾移植已成为肾脏再生领域的“瓶颈”问题。

202 5 年 9月 1 7 日，美国南加州大学凯克医学院博徳干细胞研究所李中伟组在 Cell Stem Cell 杂志以Resource Article的形式发表题为

Spatially patterned kidney assembloids recapitulate progenitor self-assembly and enable high-fidelity in vivo disease modeling

哺乳动物的肾脏发育基于两种重要的肾脏祖细胞（progenitor cell）的持续相互作用：肾单元祖细胞 (nephron progenitor cell ) 负责肾单元的形成；肾输尿管芽祖细胞 ( ureteric progenitor cell ) 负责肾集合管的形成【3】。基于此，在过去的十多年里，李中伟博士及其研究团队系统性的建立了一系列的技术平台，实现了从人类 多能干细胞到肾单元祖细胞的定向分化、纯化及扩增【4-6】（ 详见BioArt报道： ），以及从人类多能干细胞到肾输尿管芽祖细胞的定向分化、纯化及扩增【7】( 详见BioArt报道： )。在这个报道中，该团队将这两种肾脏祖细胞结合在一起，利用两种祖细胞之间内在的相互作用，构建出了具 有复杂三维结构的功能性的小鼠和人类肾脏复合类器官（kidney progenitor assembloid,KPA）。

首先，为了找到适合让两种肾脏祖细胞在体外共同培养并发育的条件，该团队以小鼠胚胎发育期 E12.5 的肾脏为基础，利用小分子化合物，生长因子，荷尔蒙等，通过大量的阶进式筛选鉴定，最终研发出一个能够支持小鼠胚胎肾脏体外发育成具有出生后肾脏成熟表征的体外培育系统，并利用该体外培育系统结合扩增的肾单元祖细胞和肾输尿管芽祖细胞，培育出了具有出生后肾脏成熟表征的小鼠肾脏祖细胞复合类器官（mouse kidney progenitor assembloid,mKPA）。这些小鼠肾脏祖细胞复合类器官具有很好的空间组织结构，树杈状辐射分布的肾集合管结构位于中心位置，大量的肾单元结构 ( >150 肾单元) 围在周边(图一)。重要的是，这些肾单元有机地与中心位置的肾集合管连接在了一起。让人意想不到的是，在小鼠肾脏祖细胞复合类器官中存在大量丰富多样且具有空间组织布局的肾间质细胞，例如围绕中心肾集合管结构的平滑肌细胞，位于类器官周边的肾包膜细胞，间质细胞，周细胞等等。究其形成原因，细胞示踪实验揭示在小鼠肾脏祖细胞复合类器官形成早期，肾单元祖细胞发生了细胞转分化过程 ( transdifferentiation) ，诱导形成了第三种肾脏祖细胞，即肾间质祖细胞 ( Interstitial progenitor cell) ，并由此进一步分化成丰富多样的肾间质细胞。单细胞多组学分析 (single cell multiomic analysis) 进一步地揭示和证实在小鼠肾脏祖细胞复合类器官中存在肾单元，肾集合管和肾间质这3大类主要细胞群，肾间质细胞来源于肾单元祖细胞，肾单元和肾集合管之间的连接结构被诱导形成，及小鼠肾脏祖细胞复合类器官的肾脏相关基因转录水平组与出生后的小鼠肾脏高度相似。

图一 ：发育中的小鼠肾脏祖细胞复合类器官 mKPA （左图，第3天；中图，第21天；右图，第24天）

这些培育出的小鼠肾脏祖细胞复合类器官不仅具有丰富多样的细胞亚群，很好的空间组织结构布局，还展示了多种肾脏生理功能。体外实验揭示这些小鼠肾脏祖细胞复合类器官中的近端小管 (proximal tubule) 具有强大的转运有机阴离子和阳离子的能力，这与这些肾脏类器官近端小管中存在大量有机阴离子和阳离子转运通道 (organic anion transport, OAT; organic cation transporter, OCT)一致。此外，这些小鼠肾脏祖细胞复合类器官还展示了多种内分泌生理功能，例如分泌肾素( Renin) ，红细胞生成素 (Erythropoietin) 和调控 维生素 D3 代谢。更有意义的是，当移植早期小鼠肾脏祖细胞复合类器官到免疫缺陷小鼠的肾包膜下后，这些类器官发生了广泛的血管化，展示出血液过滤和形成尿液样体液的重要肾脏生理功能。

该团队之前成功地实现了体外长期扩增人多能干细胞来源的诱导型人肾单元祖细胞【5,6】和人肾输尿管芽祖细胞【7】。通过利用这些扩增的诱导型人肾脏祖细胞，应用培育小鼠肾脏祖细胞复合类器官相似的方法论，该团队成功地培育出人肾脏祖细胞复合类器官（human kidney progenitor assembloid,hKPA， 图二 ）。这些培育出的人肾脏祖细胞复合类器官不仅展示出很好的空间组织结构，位于周边的肾单元结构连接处于中心位置的肾集合管结构，肾单元和肾集合管有机连接在一起，且复合类器官中的近端小管展示出重吸收和离子转运等肾脏生理功能。值得注意的是，与体内人肾脏发育过程相似，在早期人肾脏祖细胞复合类器官体外发育过程中，具有极性的肾泡结构被诱导形成，并由此渐进性地发展出具有高度空间组织结构的肾单元结构（肾单元的各个组分按照近端到远端的顺序排布）。该团队进一步揭示了retinoic acid (RA) -WNT4 信号通路在人肾单元空间组织结构塑形过程中扮演着至关重要的角色。

图二 ，发育中的人类肾脏祖细胞复合类器官 (hKPA)及其在疾病模拟中的应用。左图及中图： CD ，集合管；Glom，肾小球；PT，近端小管；DN，远端肾单元。右图：T，移植的多囊肾hKPA；K，宿主小鼠的肾脏。

当移植早期人肾脏祖细胞复合类器官到免疫缺陷小鼠的肾包膜下后，这些复合类器官发生广泛的血管化，形成了具有系膜细胞 ( mesangial cell) 结构的经典血管化肾小球结构。有趣的是，整合入复合类器官中的血管细胞不仅来源于宿主 (小鼠血管细胞 ) ，很大一部分整合的血管细胞来源于移植的人肾脏祖细胞复合类器官本身，这一结果提示出乎预料的细胞转分化过程发生了。单细胞组学分析进一步证实在移植的人肾脏祖细胞复合类器官中存在肾单元，肾集合管，肾间质和肾血管内皮细胞这四大类细胞亚群。肾脏相关基因的转录组水平分析揭示移植的人肾脏祖细胞复合类器官成熟度已经超过人 17 周胚胎肾脏，更加接近成年的人类肾脏。更有意义的是，这些移植的人肾脏祖细胞复合类器官在体内也展现了血液过滤、重新收、肾素分泌、活性离子通道等多种肾脏生理功能。

鉴于移植到免疫缺陷小鼠体内的人肾脏祖细胞复合类器官能够发展出更加成熟的表征及包含丰富多样的细胞亚群，该团队进一步地移植 PKD2 基因敲除的肾单元祖细胞参与构建的人肾脏祖细胞复合类器官到免疫缺陷小鼠的肾包膜下。惊人的是，移植两个月后，人肾脏祖细胞复合类器官发育到与宿主小鼠肾脏一样的大小，并且存在大量肉眼可见的囊泡，这是人常染色体显性遗传多囊性肾病( Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease,ADPKD) 最显著的特征之一。此外，该多囊性肾病类器官模型也展示了其他关键的人多囊性肾病病理特征，例如高度纤维化和巨噬细胞参与的炎症表征。单细胞组学分析进一步揭示，相比于野生型移植的人肾脏祖细胞复合类器官，多个经典的人多囊性肾病相关信号通路在多囊性肾病人肾脏祖细胞复合类器官中特异性激活，例如 c AMP 代谢相关通路在多囊性肾病类器官中的近端小管特异激活，细胞外基质组织相关信号通路在多囊性肾病类器官中的肾间质细胞里异常激活。此外，与人多囊性肾病临床样品分析一致， C ell Chat 算法分析进一步揭示在多囊性肾病类器官中近端小管和肾间质间存在强烈的相互作用，若干个经典的相互作用信号通路异常激活，它们在多囊性肾病疾病发生过程中扮演着至关重要的角色，例如 TGF- β 信号通路，E PHB 信号通路，S EMA3 信号通路和 非经典 WNT 信号通路。另外，与免疫组化染色结果一致，单细胞组学分析证实了在移植的多囊性肾病类器官中激活的巨噬细胞与多囊性肾病类器官间存在显著的相互作用，该炎症表征进一步地促进多囊性肾病疾病发生。总之，该团队构建的多囊性肾病人肾脏祖细胞复合类器官高保真地体内模拟人多囊性肾病，对未来研究人多囊性肾病早期发病机制提供了重要的平台和资源。这一结果也显示了复合肾脏类器官在高保真疾病模拟和药物开发上的巨大潜力。

美国 南加州大学凯克医学院博徳干细胞研究所、肾脏研究中心副研究员黄标博士( huang.biao@zju.edu.cn ) ，博士研究生 Pedro Medina ，曾资鹏博士，和同济大学生命科学与技术学院博士研究生何金灿为该论文共同第一作者。南加州大学凯克医学院博徳干细胞研究所、肾脏研究中心李中伟教授 ( zhongwei.li@med.usc.edu ) 为该论文通讯作者。该课题得到了南加州大学Andrew McMahon， Janos Peti-Peterdi ， Kenneth R. Hallows ， Nuria M. Pastor-Soler ， Nils O. Lindström ， Justin Ichida ， Charles E. Murry ， Danny El-Nachef ， Laura Perin 教授，同济大学江赐忠教授，南佛罗里达大学 Alexander Staruschenko 教授，俄克拉荷马大学 Kurt Zimmer- man 教授， 北卡罗来纳大学教堂山分校 Lori O’Brien 教授，以及西达-西奈医疗中心 Sanjeev Kumar 教授的大力支持。

实验室招聘 ：美国南加州大学李中伟实验室专注肾脏发育、疾病与再生研究，利用人类干细胞和类器官模型，小鼠模型，基因编辑技术，结合单细胞组学、功能基因组学研究肾脏的发育机制，建立肾脏的疾病模型并进行药物筛选。实验室的长远目标是利用干细胞和工程技术在体外合成可移植的肾脏。 欢迎对相关方向感兴趣的研究生、博士后以及访问学者加入本实验室 ( http://lilab.usc.edu ) 。黄标博士已于2025年8月全职加盟浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心，欢迎有志于探索肾脏再生，肾脏病发病机制，对科学研究充满好奇和兴趣的优秀本科生、博士研究生及博士后加入黄标博士的研究团队！ 期待与志同道合的您，携手开启一场有趣的探索肾脏再生之旅！

简历投递（ 有意者请将个人简历等材料发至 ）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.08.013

制版人： 十一

参考文献

1. Costantini, F., and Kopan, R. (2010). Patterning a complex organ: branching morphogenesis and nephron segmentation in kidney development.Developmental cell18, 698-712.

2. Wang, L., Xu, X., Zhang, M., Hu, C., Zhang, X., Li, C., Nie, S., Huang, Z., Zhao, Z., and Hou, F.F. (2023). Prevalence of chronic kidney disease in China: results from the sixth China chronic disease and risk factor surveillance.JAMA internal medicine183, 298-310.

3. McMahon, A.P. (2016). Development of the mammalian kidney.Current topics in developmental biology117, 31-64.

4. Li, Z., Araoka, T., Wu, J., Liao, H.-K., Li, M., Lazo, M., Zhou, B., Sui, Y., Wu, M.-Z., and Tamura, I. (2016). 3D culture supports long-term expansion of mouse and human nephrogenic progenitors.Cell stem cell19, 516-529. https://doi.org/10.1016/j.stem.2016.07.016.

5. Huang, B., Medina, P., Ma, T., Schreiber, M.E., and Li, Z. (2025). Expansion of human pluripotent stem cell-induced nephron progenitor cells (iNPCs) and the generation of nephron organoids from iNPCs.Nat Protoc.10.1038/s41596-025-01236-7.

6. Huang, B., Zeng, Z., Kim, S., Fausto, C.C., Koppitch, K., Li, H., Li, Z., Chen, X., Guo, J., and Zhang, C.C. (2024). Long-term expandable mouse and human-induced nephron progenitor cells enable kidney organoid maturation and modeling of plasticity and disease.Cell Stem Cell31, 921-939. e917. https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.04.002.

7. Zeng, Z., Huang, B., Parvez, R.K., Li, Y., Chen, J., Vonk, A.C., Thornton, M.E., Patel, T., Rutledge, E.A., and Kim, A.D. (2021). Generation of patterned kidney organoids that recapitulate the adult kidney collecting duct system from expandable ureteric bud progenitors.Nature communications12, 3641. https://www.nature.com/articles/s41467-021-23911-5.

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