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尿液中的“修复神器”?2D细胞、肾脏类器官与小鼠模型均证实细胞外囊泡促进AKI修复
来源:华津生物微信公众号 | 作者:华津生物 | 发布时间 :2026-06-10 | 46 次浏览: | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:
范德堡大学团队在2D细胞(HK-2)、人iPSC肾脏类器官及UNIRI小鼠模型中验证尿液来源干细胞胞外囊泡(USC-EVs)对AKI的修复作用。USC-EVs(~140.7 nm)被细胞及类器官摄取后,减轻顺铂诱导的细胞毒性、降低KIM-1/NGAL、减少线粒体ROS及MDA、增强SOD活性、促进近端小管细胞增殖。miRNA测序富集miR-21-5p等,机制涉及激活MAPK/ERK通路及上调GDF15。USC-EVs来源无创、免疫风险低,为AKI无细胞治疗提供了新策略。
尿液干细胞胞外囊泡促进急性肾损伤修复 | 研究解读
研究主题图示

近日,美国范德堡大学Lauren E. Woodard团队在《American Journal of Physiology-Renal Physiology》发表题为“Urine-derived stem cell extracellular vesicles promote recovery from acute kidney injury in mice and human kidney organoids”的研究,发现尿液来源干细胞胞外囊泡(USC-EVs)可在2D细胞、肾脏类器官和动物模型中促进急性肾损伤(AKI)修复,其机制与促进增殖、抑制凋亡、减轻氧化应激及激活MAPK/ERK信号通路有关。

图形摘要
图形摘要
研究内容
1                2D细胞验证:                USC-EVs的摄取与修复作用

首先,研究者对USC-EVs进行了分离和鉴定。采用PEG沉淀法从尿液来源干细胞(USC)培养上清中分离出USC-EVs(图1A)。鉴定结果显示,这些囊泡呈现典型的杯状形态(图1B),平均粒径约为140.7 nm,浓度约为1.56×10¹¹颗粒/毫升(图1C),不同供体来源的USC细胞系产量稳定在1-2 μg/mL培养基(图1D)。荧光标记实验进一步证实,USC-EVs能够被人肾近端小管上皮细胞系(HK-2)摄取并定位于细胞质中(图1E、1F),说明这些囊泡具备进入靶细胞的能力。

图1 USC-EVs提取鉴定
图 1. 尿液来源干细胞胞外囊泡(USC-EVs)的提取、鉴定与观察(点击图片查看大图)

随后,研究者验证了USC-EVs对受损肾小管细胞的修复作用。活死细胞染色和MTT检测显示,USC-EVs处理能显著增加顺铂损伤后HK-2细胞的存活数量(图2A、2B)。增殖标志物Ki-67的免疫荧光染色和定量分析表明,USC-EVs处理显著促进了受损细胞的增殖(图2C、2D)。即使在未受损细胞中,USC-EVs也表现出类似的促增殖效果。进一步研究发现,USC-EVs处理能显著抑制顺铂诱导的细胞凋亡(CASP3检测,图3A、3B),并显著减轻氧化应激损伤(ROS检测和脂质过氧化产物MDA检测,图3C、3D)。这说明USC-EVs通过提高细胞活力、促进增殖、抗凋亡和抗氧化等多重途径,对受损肾小管细胞发挥保护和修复作用。

图2 USC-EVs提升细胞存活增殖
图 2. USC-EVs能提升顺铂损伤后HK-2细胞的存活和增殖能力(点击图片查看大图)
图3 抗凋亡抗氧化
图 3. USC-EVs可减轻细胞凋亡和氧化应激损伤(点击图片查看大图)
2                类器官验证:                USC-EVs的摄取与修复作用

在2D细胞实验的基础上,研究者进一步在3D人源肾脏类器官模型中验证了USC-EVs的修复效果。荧光标记实验证实,USC-EVs能够被肾脏类器官有效摄取(图4A-4C)。LDH细胞毒性检测和明场图像显示,USC-EVs处理减轻了顺铂诱导的细胞毒性损伤(图4D、4E)。LTL与KIM-1共染色及ELISA结果显示,USC-EVs处理组肾小管结构更完整、损伤标志物表达显著降低(图4F、4G)。进一步研究表明,USC-EVs处理显著减轻了线粒体超氧化物水平(MitoSOX染色,图5A),增强了抗氧化酶SOD的活性(图5B),降低了脂质过氧化产物MDA的水平(图5C),并促进了近端小管区域的上皮细胞增殖(Ki-67与LTL共染色,图5D、5E)。这些结果表明,在更接近人体真实情况的3D肾脏类器官模型中,USC-EVs同样能够被有效摄取,并通过减轻氧化应激和促进细胞增殖发挥肾脏保护作用。

图4 类器官损伤减轻
图 4. USC-EVs能够减轻人源肾脏类器官中的细胞毒性损伤和肾小管损伤(点击图片查看大图)
图5 类器官氧化应激与增殖
图 5. USC-EVs可降低人源肾脏类器官中的线粒体活性氧水平、增强超氧化物歧化酶(SOD)活性、抑制脂质过氧化,同时促进细胞增殖(点击图片查看大图)
3                体内验证:                USC-EVs的治疗效果

为进一步确认USC-EVs的治疗效果,研究者建立了单肾切除联合缺血再灌注(UNIRI)的小鼠AKI模型。HE染色和病理评分显示,USC-EVs治疗显著减轻了肾小管损伤、扩张和炎症浸润(图6A、6B)。损伤标志物检测表明,USC-EVs治疗降低了肾小管中KIM-1的表达,并显著减少了尿液中NGAL的水平(图6C)。此外,USC-EVs治疗还降低了氧化应激标志物HO-1的表达,而纤维化标志物α-SMA无显著变化(图6Cii)。这些结果表明,在活体动物模型中,USC-EVs能够有效改善AKI小鼠的肾脏病理损伤

图6 小鼠AKI改善
图 6. USC-EVs可改善AKI小鼠的肾脏病理,并降低NGAL水平(点击图片查看大图)
4                分子机制:                miRNA激活MAPK通路

最后,研究者探讨了USC-EVs发挥肾脏保护作用的潜在分子机制。miRNA测序显示,USC-EVs富含miR-21-5p、miR-30a-5p和miR-146a-5p等与肾脏保护相关的miRNA(图7A)。功能富集分析预测,这些miRNA可能靶向上皮细胞增殖、MAPK信号通路等多个修复相关通路(图7B)。Western blot实验证实,USC-EVs处理显著提高了MAPK下游靶点p-ERK1/2的表达(图7C)。细胞因子阵列显示,USC-EVs处理组中GDF15等促增殖细胞因子的释放明显增加(图7D、7E)。

图7 miRNA与MAPK通路
图 7. USC-EVs测序表明,miRNA介导了MAPK信号通路的激活(点击图片查看大图)
总结

本研究在2D细胞、肾脏类器官和动物模型中系统验证了尿液来源干细胞胞外囊泡(USC-EVs)对急性肾损伤(AKI)的修复作用,并揭示了其分子机制:USC-EVs通过递送功能性miRNA激活MAPK/ERK信号通路,进而促进增殖、抑制凋亡、减轻氧化应激,最终实现对受损肾脏的保护和修复。在模型选择上,人源肾脏类器官的引入弥补了传统细胞系在线粒体网络结构上的不足,为检测线粒体活性氧(ROS)提供了更优模型。USC-EVs来源于无创获取的尿液样本,且相比干细胞治疗具有更低的免疫排斥和肿瘤形成风险。此外,研究采用的PEG沉淀法操作简便、产量高,更利于临床转化。以上发现为USC-EVs作为AKI的无细胞治疗策略提供了实验依据,并为未来探索其关键效应成分及规模化生产奠定了基础。

参考文献:

Qian ES, Bejoy J, Welch RC, Farry JM, Hartert J, Cartailler JP, Gibson-Corley KN, Wilson MH, Woodard LE. Urine-derived stem cell extracellular vesicles promote recovery from acute kidney injury in mice and human kidney organoids. Am J Physiol Renal Physiol. 2026 Jun 1