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
资讯 百度智能云加码银发经济:大模型破解养老供需错配难题
当居家养老还停留在“人找服务”的传统模式时,以大模型与AI Agent为代表的智能技术,正在掀起一场全新变革,服务开始主动理解需求,并精准触达每一位老人。
2026-03-27 17:24
资讯 优赫得®序贯THP方案在华获批用于HER2阳性早期乳腺癌新辅助治疗,实现该适应症“全球首发”
此次获批使优赫得®迈向早期乳腺癌,成为首个且唯一*获批HER2阳性乳腺癌新辅助治疗的ADC疗法
2026-03-27 17:16
资讯 医疗服务价格项目立项指南解读辅导(第1期)
长期以来,医疗服务价格实行属地管理,由地方医药价格主管部门制定价格项目、确定价格水平,地区间价格项目数量、内涵、颗粒度差异较大,部分地区按操作流程、岗位分工等拆分价...
2026-03-27 11:21
资讯 社保“第六险”,长期护理险全国落地
3月25日,中共中央办公厅、国务院办公厅发布《关于加快建立长期护理保险制度的意见》,标志着这项被称作社保“第六险”的制度正式结束10年试点,迈向全国建制新阶段。
2026-03-26 18:09
资讯 国家药监局发布《药品现代物流规范化建设指导意见》,自发布之日起施行
本指导意见是对申请开办药品批发企业(以下简称批发企业)和接受委托储存运输药品业务的第三方药品现代物流企业(以下简称第三方物流企业),在药品现代物流设施设备等方面的基...
2026-03-26 10:14
资讯 华东医药独家商业化VC005片Ⅲ期临床顶线数据积极,抢占自免口服疗法新高地
华东医药战略合作方江苏威凯尔医药科技股份有限公司(简称“江苏威凯尔”)宣布,其自主研发的Ⅱ代高选择性JAK1抑制剂VC005片在口服治疗中重度特应性皮炎(AD)的Ⅲ期临床研究中...
2026-03-25 18:52
资讯 Cytiva携手上海临床研究中心与新叶生维, 加速先进细胞治疗临床应用转化与产业化发展
Cytiva与上海临床研究中心签署战略合作备忘录,共同设立先进细胞治疗技术临床应用示范平台,以产学研协同为牵引,带动区域产业升级。
2026-03-25 18:46
资讯 国家药监局批准两款创新医疗器械
近日,国家药品监督管理局批准了两款创新医疗器械上市。分别为阿迈特医疗器械(北京)股份有限公司二氧化碳造影压力注射套装创新产品注册申请和应脉医疗科技(上海)有限公司经...
2026-03-25 14:53
资讯 甘李药业博凡格鲁肽新适应症获批IND
近日,甘李药业股份有限公司及其全资子公司甘李药业山东有限公司宣布,其自主研发的博凡格鲁肽(研发代号:GZR18)注射液增加新适应症的临床试验申请获得国家药监局批准。拟用于...
2026-03-25 14:38
资讯 茵菲多组学完成5100万元Pre-A轮融资,构建“硬件+AI+试剂”一体化技术壁垒
本轮融资由杭州新干世业、三泽资本、泰煜投资、德华创投共同参与,丰和资本担任独家财务顾问
2026-03-24 12:59
资讯 赶早赴约,忆路守护 礼来携手清华大学阿尔茨海默病科普创意大赛圆满收官
今日,由礼来主办,清华大学承办的 “赶早赴约,忆路守护” 阿尔茨海默病(AD)科普创意大赛颁奖典礼在清华大学圆满落幕。
2026-03-23 17:48













