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。來自哈佛大學的科學家們解決了這一挑戰(zhàn)，他們率先在器官單芯片技術(shù)中，實現(xiàn)了第一個體外人類腎小球模型的工程化。研究發(fā)表在了《Nature Biomedical Engineering》上。
腎小球的獨特過濾功能來自于獨特的結(jié)構(gòu)細胞。腎小球內(nèi)有三種固有細胞：系膜細胞、內(nèi)皮細胞、足細胞。足細胞（podocyte）是位于腎小球毛細血管基底膜外側(cè)的臟層上皮細胞，因其胞漿在基底膜表面形成偽足樣突起而得名。足細胞的長足突環(huán)繞著毛細血管，足突之間的裂孔膜是腎小球濾過的最后一道屏障，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，進一步形成尿液。
足細胞很容易被藥物所損傷，因而對于以腎臟疾病為目標的研究來說，意義重大。想要建立一個腎小球的模型，深入探測其功能，或者用于進行藥物的腎功能安全性評價，足細胞一個非常好的切入點。由于足細胞較為脆弱，在很長的時間里，科學家們一直試圖通過干細胞來使這種足細胞能夠工程化，但是，成熟的能夠工程化的足細胞群此前一直難以獲得。
來自哈佛大學威斯研究所的Donald Ingber博士實現(xiàn)了這一突破，他的團隊將人類誘導的多功能干細胞（iPS）分化成成熟的足細胞，有效率可以超過90%。成熟的工程化的足細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促進細胞系的功能化，但是失敗了。之后他們開始轉(zhuǎn)變思路，不再是僅僅添加可溶性因子，而是將細胞外基質(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，指導細胞和組織分化的機械力在其中也有重要的作用。
人類干細胞衍生的成熟足細胞的掃描電子顯微照片（圖片來源：哈佛大學威斯研究所）
研究的第一作者Samira Musah表示，“我們的方法不僅使用了指導胚胎腎發(fā)育的可溶性因子，而且通過細胞外基質(zhì)組分對干細胞進行生長和分化，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胞被誘導和成熟的自然環(huán)境。”
微流體器官芯片裝置（圖片來源：《Nature Biomedical Engineering》）
研究人員成功的在微流體控制芯片上誘導了這樣的分化過程。這個微流體系統(tǒng)與活體腎小球的橫截面很相似，它由光學透明的、柔性的聚合物材料組成。在芯片上兩個相對應的微流體通道由一個多孔的、細胞外基質(zhì)包被的膜所分隔，對應腎臟的腎小球基底膜。在膜所面對的一個通道中，研究人員培養(yǎng)了腎小球內(nèi)皮細胞以模擬腎小球的微循環(huán)。在膜的另一側(cè)通道內(nèi)，iPS細胞培養(yǎng)代表了腎小球的尿室。在這里，iPS細胞被誘導成為一層成熟的足細胞，其延長的足突穿過膜孔并與對側(cè)的內(nèi)皮細胞相接觸。研究人員沒有選擇傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)方式，而是通過應用周期性循環(huán)吸，以每秒一次的頻率，模擬真實腎小球由于心臟泵血而產(chǎn)生的律動變形，從而極高的模仿了真實的足細胞誘導環(huán)境，實現(xiàn)了非常好的成熟率。
微流體器官芯片裝置膜一側(cè)的iPS誘導的成熟足細胞的足突穿過膜與對側(cè)腎小球內(nèi)皮細胞相接觸（圖片來源：Nature Biomedical Engineering）
對于未來這一模型的應用潛力，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)略在未來的生物醫(yī)學應用中，可以幫助工程師們開發(fā)更先進的人體器官模型。我為這個工作感到驕傲，因為它展現(xiàn)了在嘗試對抗在生物學和醫(yī)學復雜挑戰(zhàn)的時候，多學科研究的強大力量。目前，我們正在運用這種方法來研究腎臟疾病的機制，創(chuàng)造替代動物模型用于治療方案的開發(fā)。由于在許多腎臟疾病中腎小球足細胞已損壞或喪失，人類的iPS 來源的足細胞也有望用于相關(guān)疾病的細胞治療和再生醫(yī)學。
這對于由于疾病和衰老導致腎臟問題的患者來說，是一個全新的希望。
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
來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）
