芯片上的肾小球,原来干细胞还可以这么玩儿

肾脏是人体非常重要的代谢器官,执行着过滤血液的作用,将一些不需要的废物以尿液的形式排出。肾小球是肾脏中基本的过滤单元,人工建造这种“肾小球”模型是一件非常有挑战的事情。来自哈佛大学的科学家们解决了这一挑战,他们率先在器官单芯片技术中,实现了第一个体外人类肾小球模型的工程化。研究发表在了《Nature Biomedical Engineering》上。

肾小球的独特过滤功能来自于独特的结构细胞。肾小球内有三种固有细胞:系膜细胞、内皮细胞、足细胞。足细胞(podocyte)是位于肾小球毛细血管基底膜外侧的脏层上皮细胞,因其胞浆在基底膜表面形成伪足样突起而得名。足细胞的长足突环绕着毛细血管,足突之间的裂孔膜是肾小球滤过的最后一道屏障,阻断蛋白质、红血球、血小板等大分子,允许小分子如水分、盐类及糖类以及其他类型的代谢废弃物通过,进一步形成尿液。

足细胞很容易被药物所损伤,因而对于以肾脏疾病为目标的研究来说,意义重大。想要建立一个肾小球的模型,深入探测其功能,或者用于进行药物的肾功能安全性评价,足细胞一个非常好的切入点。由于足细胞较为脆弱,在很长的时间里,科学家们一直试图通过干细胞来使这种足细胞能够工程化,但是,成熟的能够工程化的足细胞群此前一直难以获得。

来自哈佛大学威斯研究所的Donald Ingber博士实现了这一突破,他的团队将人类诱导的多功能干细胞(iPS)分化成成熟的足细胞,有效率可以超过90%。成熟的工程化的足细胞是肾小球芯片的重要前提。最初,研究人员尝试用生物材料来促进细胞系的功能化,但是失败了。之后他们开始转变思路,不再是仅仅添加可溶性因子,而是将细胞外基质(ECM)的关键作用考虑在内,不仅如此,研究人员还考虑到了肾小球中的特殊环境,指导细胞和组织分化的机械力在其中也有重要的作用。


人类干细胞衍生的成熟足细胞的扫描电子显微照片(图片来源:哈佛大学威斯研究所)

研究的第一作者Samira Musah表示,“我们的方法不仅使用了指导胚胎肾发育的可溶性因子,而且通过细胞外基质组分对干细胞进行生长和分化,这些组分在肾小球血液分离的膜上和泌尿系统中也含有,我们更加密切的模仿足细胞被诱导和成熟的自然环境。”



微流体器官芯片装置(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

研究人员成功的在微流体控制芯片上诱导了这样的分化过程。这个微流体系统与活体肾小球的横截面很相似,它由光学透明的、柔性的聚合物材料组成。在芯片上两个相对应的微流体通道由一个多孔的、细胞外基质包被的膜所分隔,对应肾脏的肾小球基底膜。在膜所面对的一个通道中,研究人员培养了肾小球内皮细胞以模拟肾小球的微循环。在膜的另一侧通道内,iPS细胞培养代表了肾小球的尿室。在这里,iPS细胞被诱导成为一层成熟的足细胞,其延长的足突穿过膜孔并与对侧的内皮细胞相接触。研究人员没有选择传统的细胞培养方式,而是通过应用周期性循环吸,以每秒一次的频率,模拟真实肾小球由于心脏泵血而产生的律动变形,从而极高的模仿了真实的足细胞诱导环境,实现了非常好的成熟率。


微流体器官芯片装置膜一侧的iPS诱导的成熟足细胞的足突穿过膜与对侧肾小球内皮细胞相接触(图片来源:Nature Biomedical Engineering)

对于未来这一模型的应用潜力,研究的第一作者Samira Musah谈道,我希望我们的发现和研究战略在未来的生物医学应用中,可以帮助工程师们开发更先进的人体器官模型。我为这个工作感到骄傲,因为它展现了在尝试对抗在生物学和医学复杂挑战的时候,多学科研究的强大力量。目前,我们正在运用这种方法来研究肾脏疾病的机制,创造替代动物模型用于治疗方案的开发。由于在许多肾脏疾病中肾小球足细胞已损坏或丧失,人类的iPS 来源的足细胞也有望用于相关疾病的细胞治疗和再生医学。

这对于由于疾病和衰老导致肾脏问题的患者来说,是一个全新的希望。

参考资料

[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

来源:康健新视野(微信号 HealthHorizon)

为你推荐

奥希替尼,医药代表篡改检测报告骗保案例资讯

奥希替尼,医药代表篡改检测报告骗保案例

最终判决:被告人陆某犯诈骗罪,判处有期徒刑八个月,并处罚金人民币七千元;退赔在案的违法所得予以发还(返还医保基金)。

2025-11-19 16:29

体重管理是慢病防控的“牛鼻子”,管理体重先管好肠道资讯

体重管理是慢病防控的“牛鼻子”,管理体重先管好肠道

在全球公共卫生领域,肥胖已不再仅仅是体型问题,而是被明确定义为一种复杂的慢性疾病。

2025-11-19 15:30

第九十八批仿制药参比制剂目录资讯

第九十八批仿制药参比制剂目录

经国家药品监督管理局仿制药质量和疗效一致性评价专家委员会审核确定,现发布仿制药参比制剂目录(第九十八批)。

2025-11-18 22:09

融和医疗完成近亿元 B 轮融资,助推慢阻肺介入治疗全球突破​资讯

融和医疗完成近亿元 B 轮融资,助推慢阻肺介入治疗全球突破​

本轮融资由启明创投领投、荷塘创投跟投

2025-11-18 14:58

武田中国创新中心在蓉开幕,以患者为中心,加速共建数字医疗创新生态资讯

武田中国创新中心在蓉开幕,以患者为中心,加速共建数字医疗创新生态

TCIC是武田数字化创新网络的重要组成部分,也是武田首个将同步推进数字医疗解决方案开发与落地应用的创新中心。

2025-11-18 14:40

全球首个FRα ADC爱拉赫®获常规批准,华东医药创新转型加速“开花结果”资讯

全球首个FRα ADC爱拉赫®获常规批准,华东医药创新转型加速“开花结果”

该药物用于治疗既往接受过1-3线系统性治疗的FRα阳性铂耐药卵巢癌(PROC),是目前全球首个且唯一获批用于该适应症的靶向FRα的ADC药物。

2025-11-17 18:55

明澈科技完成数千万 A 轮融资,加码眼科微创治疗器械研发资讯

明澈科技完成数千万 A 轮融资,加码眼科微创治疗器械研发

本轮融资由南创投、元禾控股、创谷资本联合投资

2025-11-17 16:57

改变焕新生!2025“鼓5人生”肺癌患者关爱公益徒步活动在沪成功举办资讯

改变焕新生!2025“鼓5人生”肺癌患者关爱公益徒步活动在沪成功举办

2025年11月16日,由中华社会救助基金会发起、爱心企业阿斯利康中国参与支持的“鼓5人生”肺癌患者关爱项目(以下简称“鼓5人生”项目)再度开启。

2025-11-17 16:20

腾迈医药获 2200 万美元 A 轮追加融资,加速 AI 驱动药物研发全流程创新资讯

腾迈医药获 2200 万美元 A 轮追加融资,加速 AI 驱动药物研发全流程创新

本轮融资由一村资本(V-Capital)与芯能创投(KHK Fund)共同领投,奥博资本、启明创投、成为资本、红杉资本等现有投资方悉数跟投。

2025-11-17 15:06

灵北公司提交 Vyepti® (eptinezumab)在中国的上市许可申请资讯

灵北公司提交 Vyepti® (eptinezumab)在中国的上市许可申请

用于成人偏头痛的预防性治疗。

2025-11-17 14:04

总金额超8亿美金,斯丹赛生物治疗转移性结直肠癌CAR-T药物“出海”资讯

总金额超8亿美金,斯丹赛生物治疗转移性结直肠癌CAR-T药物“出海”

近日,美国细胞治疗公司Lyell Immunopharma宣布,已获得Innovative Cellular Therapeutics(斯丹赛生物)LYL273(前身为GCC19CART)的全球权利,将进一步强化公司在实体瘤CAR-T领域的研发布局。

2025-11-16 21:42

 美年健康发布国内首款 AI 衰老评估产品“血液学时钟”,抢占万亿长寿健康科技赛道资讯

美年健康发布国内首款 AI 衰老评估产品“血液学时钟”,抢占万亿长寿健康科技赛道

依托亿级健康大数据与前沿AI算法的创新产品,彻底突破了传统衰老评估依赖高成本组学检测的技术壁垒,将科学抗衰从高端科研与小众消费场景推向大众健康管理领域

2025-11-16 18:42

央视曝光!药店日用品的医疗器械“马甲”资讯

央视曝光!药店日用品的医疗器械“马甲”

在这条黑色产业脸上,将日用品包装成医疗器械,从而实现套取消费者医保个人账户资金。

2025-11-15 10:03

“人工智能+医疗卫生”应用,国家卫健委在各方面的考虑方向资讯

“人工智能+医疗卫生”应用,国家卫健委在各方面的考虑方向

到2027年,建立一批卫生健康行业高质量数据集和可信数据空间,形成一批临床专病专科垂直大模型和智能体应用,基层诊疗智能辅助、临床专科专病诊疗智能辅助决策和患者就诊智能服...

2025-11-14 22:54

依视路®星趣控® 2.0镜片H.A.L.T. MAX技术相关研究获国际医学期刊发表资讯

依视路®星趣控® 2.0镜片H.A.L.T. MAX技术相关研究获国际医学期刊发表

近日,国际医学期刊《Translational Vision Science & Technology》(简称TVST)发表了一篇最新的同行评审研究论文,公布了评估搭载Highly Aspherical Lenslet Target (...

2025-11-14 19:45

从“单一控糖”到“多病共管”!“糖疹联防,稳住血糖”联合国糖尿病日主题科普活动正式启幕资讯

从“单一控糖”到“多病共管”!“糖疹联防,稳住血糖”联合国糖尿病日主题科普活动正式启幕

11月14日是“联合国糖尿病日”(又称“世界糖尿病日”)。

2025-11-14 19:37

扬厉医药完成亿元级B轮融资,启明创投独家投资资讯

扬厉医药完成亿元级B轮融资,启明创投独家投资

本轮融资由启明创投独家领投,公司现有股东泰福资本、杭州国资、润璋创投继续跟投,融资资金将全额用于多款核心产品的临床研究推进。

2025-11-13 17:26

直击医工转化核心命题,全球医疗科技创新生态大会勾勒中国源创新路径资讯

直击医工转化核心命题,全球医疗科技创新生态大会勾勒中国源创新路径

波士顿科学、丹纳赫、西门子医疗三家全球领先的医疗科技企业,以开放协同的姿态诠释了“生态共融”的核心内涵,成为行业关注的焦点。

文/张蓉蓉 2025-11-13 13:18

北大医药董事长涉嫌刑事犯罪被批捕资讯

北大医药董事长涉嫌刑事犯罪被批捕

11月12日晚间,北大医药股份有限公司发布公告,公司董事长、总裁徐晰人先生因被刑事拘留,暂时无法正常履职,授权公司董事陈岳忠先生代为行使董事长职责,授权公司常务副总裁余...

2025-11-13 10:08

Illumina® Protein Prep 以NGS蛋白质组学技术为全球超过40家客户提供突破性的精准解决方案,涵盖从学术机构到大型国家生物样本库资讯

Illumina® Protein Prep 以NGS蛋白质组学技术为全球超过40家客户提供突破性的精准解决方案,涵盖从学术机构到大型国家生物样本库

自 9 月全球商业化上市以来,Illumina Protein Prep 以“开箱即用”的解决方案显著提升蛋白质组学研究的可及性,目前因美纳全球客户已完成逾 4 万个样本的处理

2025-11-13 09:24