神奇的细胞因子系列之肾类器官培养-同立海源-同立海源

类器官是由干细胞或病人身上提取的肿瘤组织在特定的3D体外微环境下自组织发育而来的、高度模拟体内真实器官特征的小型化体外器官模型。与二维细胞培养和动物模型相比，类器官呈现出更加复杂的空间形态，可以更好地模拟组织器官的功能和生理反应。类器官技术的崛起，预示着新药研发进入了“低风险、低投入、高回报”的新纪元。

肾脏是人体的重要器官，主要负责过滤血液、排泄废物和维持电解质平衡。肾衰竭是一种严重的肾脏疾病，通常早期症状不明显，但在某些诱因下会短期内急剧加重。目前，治疗肾衰竭的两大手段主要是透析和肾移植。透析要求病患每周3次、每次3到5小时的频率接受治疗，给患者带来严重的生活和经济负担。而肾移植有更好的生存率，能够减少终身透析的医药费用，更好的改善病患生活质量。据统计，中国在2020年10月有超过60439人次等待肾移植，2020年前11个月共完成肾移植9930例次，成功接受肾移植手术的病患仅占不到五分之一。

肾脏类器官技术有望实现肾脏组织的再生和修复，为肾脏移植提供新的解决方案。通过将健康的肾脏类器官移植到患者体内，有助于修复受损的肾脏组织。此外，通过体外培养技术，未来可能实现人工合成具有完整功能的肾脏组织。目前，由人诱导多能干细胞（hiPSCs）诱导得到上皮性输尿管芽(Ureteric bud，UB)和肾单位前体细胞（Nephron progenitors, NPs）的实验方案已经被阐明。由hiPSCs诱导产生基质前体细胞（Stromal progenitors, SPs）的实验方案还有待补充。可以用hiPSCs诱导得到UBs及NPs细胞，配合SPs细胞，开展肾类器官研究。

图1 肾类器官培养流程

hiPSCs的培养分化

丝裂霉素C处理小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）并接种hiPSCs，加入胶原酶 IV消化组织后收集沉淀的iPSCs。用细胞消化液分离沉淀的iPSCs并转移到含iPSCs 分化培养基96孔板中培养。重组人bFGF蛋白（Cat# TL-901）参与hiPSCs的培养。

表1 hiPSC培养分化相关培养基

hiPSCs向输尿管芽(Ureteric bud，UB)诱导

拟胚体（Embryoid bodies, EB）分化

用下表A培养基替换iPSCs分化培养基并培养24小时，随后用B培养基替换，继续培养36小时。转移至C培养基中培养48小时后，更换D培养基继续培养42小时。重组人Activin A蛋白（Cat# TL-910）参与hiPSCs向拟胚层的分化。

表2 拟胚体分化相关培养基

中肾管（Wolffian duct, WD）前体细胞成熟

用胰蛋白酶解离细胞后，用流式细胞术分选出阳性细胞。用培养基E换液并培养54小时，转移至培养基F继续培养48小时，最后用培养基G换液并培养72小时，形成输尿管芽球体。重组人GDNF蛋白（Cat#TL-771）和基质胶（Cat#AS-41-5）参与中肾管前体细胞的成熟。

表3 中肾管前体细胞成熟相关培养基

诱导输尿管芽（Ureteric bud, UB）分枝形成

将输尿管芽球体转移至分枝形成培养基中，最终得到诱导输尿管芽分枝。重组人GDNF蛋白（Cat#TL-771）和基质胶（Cat#AS-41-5）参与诱导输尿管芽分枝的形成。

表4 输尿管芽分枝形成相关培养基

hiPSCs向肾单位前体细胞（Nephron progenitors, NP）诱导

NP诱导起始于iPSCs培养分化，到iPSCs向拟胚体（Embryoid bodies, EB）分化步骤同诱导UB形成一致。用下表所示的NP培养基替换D培养基并培养24小时。转移至含有中胚层诱导培养基的96孔板，培养144小时并定期换液。转移至ABC3R 培养基并培养 48h，最后用C1F 培养基换液，诱导形成肾单位前体细胞。重组人Activin A蛋白（Cat# TL-910）参与拟胚体向肾单位前体细胞的诱导分化。