2017年5月10日

利用人类干细胞在芯片上模拟肾脏的过滤屏障

本杰明·博特纳，哈佛大学

肾脏——由大约一百万个微小单位组成，它的作用是过滤血液，不断清除体内不需要的废物，形成尿液，同时抑制血细胞和有价值的蛋白质，并控制身体的液体含量。这些单位的关键是一个被称为“肾小球”的结构，在这个结构中，所谓的足细胞紧紧地包裹着一簇毛细血管，它们之间只由一层由细胞外基质组成的薄膜隔开，并在它们之间留下裂缝，以建立一个实际的过滤屏障。足细胞也是许多先天性或获得性肾脏疾病的目标，它们经常受到药物的伤害。

为了建立一个人类肾小球的体外模型，从而能够更深入地探究其功能，以及其对疾病和药物毒性的脆弱性，研究人员一直试图改造人类干细胞——理论上可以产生任何成熟的细胞类型——以便它们形成功能性足细胞。然而，到目前为止，这些细胞培养的努力还没有产生足够纯的成熟足细胞群，从而对肾小球滤过模型有用。

哈佛大学威斯生物工程研究所Donald Ingber博士领导的团队现在报告了一种解决这一挑战的方法自然生物医学工程，使人类诱导多能干细胞(iPS)分化成成熟足细胞的效率超过90%。将分化过程与他的团队首创的器官芯片技术联系起来，研究人员继续设计了第一个人类肾小球的体外模型，证明了体外化疗药物对血液蛋白和足细胞毒性的有效和选择性过滤。Ingber是Wyss研究所的创始董事，哈佛医学院(HMS)的Judah Folkman血管生物学教授，波士顿儿童医院血管生物学项目教授，以及哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。

Ingber说:“功能性人类肾小球芯片的开发开辟了一条全新的实验路径，可以研究肾脏生物学，对肾脏疾病和药物毒性进行高度个性化的建模，我们开发的干细胞来源的肾足细胞甚至可以在未来为危及生命的肾小球疾病患者提供一种新的可注射细胞治疗方法。”

Ingber的团队已经设计了多个精确模拟人体组织和器官水平生理学的芯片上器官，目前正在接受美国食品和药物管理局(FDA)的评估，作为一种比现有培养系统或动物模型更有效地研究食品、化妆品或膳食补充剂中潜在化学和生物危害的工具。2013年他的团队开发了一种器官芯片微流控培养装置，该装置模拟了人类肾脏的近端小管，该小管在解剖学上与肾小球相连，并从尿液中回收离子。现在，通过该团队新设计的芯片上的人类肾小球，除了研究人类足细胞的工作外，研究人员还可以在体外获得肾脏的核心过滤机制，这对药物清除和药代动力学至关重要。

为了在细胞培养中产生几乎纯的人类足细胞种群，Samira Musah博士，该研究的第一作者和HMS Dean的博士后研究员，在Wyss研究所与Ingber合作，利用了干细胞生物学家的武器库，并将它们与Ingber过去的研究片段合并在一起，研究体内细胞如何对组织环境中的粘附因子和物理力做出反应。

Musah说:“我们的方法不仅使用了在胚胎中指导肾脏发育的可溶性因子，而且通过在分隔肾小球血液和泌尿系统的膜中包含的细胞外基质成分上生长和分化干细胞，我们更紧密地模拟足细胞诱导和成熟的自然环境。”“我们甚至成功地在微流控芯片的通道内诱导了这种分化过程，通过应用周期性运动，模拟由每次心脏跳动产生的压力脉冲引起的活肾小球节律变形，我们实现了更高的成熟效率。”

完整的微流体系统非常类似于活的人体肾小球壁的三维横截面。它由一种光学透明、柔韧、计算机存储芯片大小的聚合物材料组成，其中两个紧密对立的微通道被一层多孔的细胞外基质涂层膜隔开，这层膜对应于肾小球基底膜。在其中一个面向膜的通道中，研究人员培养肾小球内皮细胞来模拟肾小球的微血管腔室。iPS细胞在膜的另一侧的另一个通道中培养，该通道代表肾小球的尿室，在那里诱导它们形成一层成熟的足细胞，通过膜上的孔隙延伸长细胞过程并接触底层内皮细胞细胞．此外，该设备的通道以每秒一次心跳的速度有节奏地拉伸和放松，方法是对放置在细胞衬砌微通道两侧的空心腔进行循环吸力，以模拟肾小球壁的生理变形。