摘要：剪切应力作为三维细胞培养的核心物理参数，已成为优化类器官微环境的重要调控靶点。本文以近期发表于《Biomedical Materials》的相关综述为基础，聚焦肾脏类器官，系统梳理剪切应力的作用机制、最优参数范围及智能化调控策略，探讨其在提升肾脏类器官成熟度与功能性中的关键价值。
剪切应力作为三维细胞培养系统中的关键物理刺激……2026年2月，韩国首尔国立科技大学研究团队在《Biomedical Materials》发表综述……
该综述揭示了一个核心发现：不同器官对剪切应力存在显著的差异化响应。其中，肾脏类器官因其独特的解剖结构与生理特性，对剪切应力表现出高度敏感性——0.1–0.35 dyn/cm²的适度流体刺激可显著促进肾单位成熟，而偏离该区间则可能导致功能异常。本文聚焦该综述中肾脏类器官相关内容，系统梳理剪切应力的作用机制、最优参数范围及智能化调控策略。
肾脏类器官作为疾病机制研究……当前研究普遍关注生长因子、基质成分等化学信号，而对物理微环境的调控重视不足。
在人体内，肾脏持续暴露于血流产生的剪切应力……不同肾单位节段对剪切应力的需求存在显著差异：
上述解剖生理特征决定了肾脏类器官培养需要根据目标结构（肾小球/肾小管）精细调控剪切应力。
通过对2021–2025年间发表的肾脏类器官相关研究进行梳理，不同团队在培养系统中应用的剪切应力范围如下：
| 研究 | 剪切应力 (dyn/cm²) | 主要发现 |
|---|
| Lee et al. (2021) | 1.31×10⁻⁵ | 血管化肾类器官芯片基础流动条件 |
| Aceves et al. (2022) | 0.1–0.2 | 3D近曲小管芯片模型，药物摄取能力提升 |
| Khalil et al. (2023) | 0.35 | 天然样形态与转录组表型诱导 |
| Kroll et al. (2024) | 0.0581 | 血管化肾类器官芯片 |
| Lapin et al. (2025) | 0.2–2 | 常染色体显性多囊肾病生物力学研究 |
| Lee et al. (2025) | 0.009–0.2 | 法布里病肾类器官成熟与功能增强 |
综合多篇文献，0.1–0.35 dyn/cm²的中等剪切应力范围被证实为促进肾脏类器官成熟的最佳区间。在此条件下可观察到以下积极变化：
形态成熟度提升：形成更为明确的肾小球与肾小管样结构。
功能标志物上调：GGT1、WT1、ECAD等肾特异性标志物表达增强。
转运功能改善：SGLT2活性提高。
转录组重塑：Na+/K+ ATP酶、初级纤毛相关基因、代谢与外源物通路激活；糖酵解、缺氧及炎症相关基因表达受抑。
图1. 在肾脏类器官中，适度的流体流动（0.1–0.35 dyn/cm²）可增强肾标志物（如 GGT1、WT1、ECAD）的表达并维持组织稳定性。
剪切应力对肾脏类器官的影响远不止于机械刺激本身。在三维培养体系中，可控流体灌注可打破组织内部的氧气梯度，实现均匀氧供，减少缺氧诱导的细胞应激；同时通过对流运输保障营养稳定供应，并有效清除乳酸盐、氨等代谢废物，维持pH稳态与细胞长期存活。
此外，细胞表面的机械感受器可感知剪切应力，启动下游信号级联，调控基因表达与组织构建，该过程具有明确的强度与时间依赖性。这些普适性机制构成了理解肾脏类器官剪切应力响应的理论基础。
图2. 剪切应力在动态细胞培养系统中的核心生理功能：通过增强氧气与营养输送、清除代谢废物以及激活机械传导信号通路，剪切应力从多个维度调控细胞微环境，促进三维组织构建与功能维持。
为实现对肾脏类器官培养系统中剪切应力的精准调控，需根据不同流动条件选用适宜的计算模型。
矩形通道层流公式（τ = 6μQ/(WH²)）广泛应用于肝脏、肾脏等类器官平台的流动刺激条件设置……圆形通道层流公式（τ = 4ηQ/(πR³)）适用于模拟血管系统的圆形截面结构。多孔介质模型（σ_t ∼ μ u/√k）适用于细胞外基质包埋培养。
上述公式将剪切应力与可控实验参数定量关联，为培养系统设计提供理论依据。
当前剪切应力生成策略主要分为三类。机械搅拌通过摇动平台或生物反应器产生流体运动……流体流动搅拌通过蠕动泵或微流控系统实现精确流速控制……非接触搅拌基于表面声波技术诱导局部流体运动……
微流控灌注系统因其调控范围宽、可模拟生理层流环境、支持长期培养及整合实时监测等优势，在肾脏类器官培养中具有良好适用性。
图3. 细胞培养中剪切应力的主要生成方式：通过机械搅拌、泵驱动流及表面声波等不同技术路径，可实现从宏观到微观尺度的精准剪切应力调控。
剪切应力作为三维培养的核心物理参数，在肾脏类器官研究中具有重要调控价值。0.1–0.35 dyn/cm²的适度剪切范围被证实可显著促进肾单位成熟与功能提升。微流控灌注系统因其精准可控、模拟生理环境等优势，成为理想的剪切应力调控平台。
针对传统固定参数灌注难以适应组织动态变化的局限，结合实时监测的反馈控制策略正成为发展方向。未来通过整合计算流体动力学设计与动态调控技术，有望推动肾脏类器官培养从“静态”走向“动态适应”、从“经验”迈向“数据驱动”，为疾病研究、药物评估及再生医学应用提供更高生理相关性的体外模型。
剪切应力作为三维培养的核心物理参数，在肾脏类器官研究中具有重要调控价值。精准控制剪切应力范围，是提升肾脏类器官成熟度与功能性的关键环节之一。
作为类器官技术体系的重要组成部分，肾脏类器官在疾病机制研究、药物肾毒性评估等方面展现出独特优势。未来通过整合微流控技术与动态调控策略，构建更接近体内生理状态的培养系统，有望进一步提升肾脏类器官在生物医学研究中的应用价值。
参考文献：
Kim H, Kim J. Shear stress optimization and smart control strategies toward AI-integrated tissue culture systems. Biomed Mater. 2026 Feb 5;21(1)
