肾脏疾病是威胁人类健康的主要慢性病之一，全球患者超过8.5亿，然而大多数肾脏疾病至今仍缺乏有效的靶向治疗手段，其根本原因之一是现有研究工具无法准确模拟人体肾脏的复杂生理与病理过程。为突破这一瓶颈，研究人员近年来大力发展基于人诱导多能干细胞（iPS细胞）的类器官与器官芯片技术，试图从细胞来源和微环境两个维度重塑人源化肾脏模型。本文基于Musah、Bhattacharya和Himmelfarb于2024年发表在《Annual Review of Biomedical Engineering》上的综述《Kidney Disease Modeling with Organoids and Organs-on-Chips》，对该领域的核心进展与未来方向进行系统梳理。
迫切需要能更准确预测人体反应
的体外模型
临床需求的紧迫性
全球超8.5亿人患肾病，美国年医疗支出超810亿美元——但迄今为止，大多数肾脏疾病仍缺乏有效的靶向治疗药物。
大量常用药物（对乙酰氨基酚、阿司匹林、质子泵抑制剂）具有肾毒性，即便在常规剂量下，也可能引发急性肾损伤或慢性肾损害，而这类损伤一旦发生，往往已不可逆转。
以新冠病毒感染为例，患者中急性肾损伤（AKI）发病率高达20-40%，ICU患者预后极差，但肾损伤具体分子机制尚不明确，严重制约了靶向治疗策略的研发。
现有模型的缺陷
模型类型 | 具体问题 | 后果 |
动物模型（主要为小鼠） | 物种差异显著。举例：（1）PKD药物sirolimus在小鼠中有效，临床却出现蛋白尿和水肿；（2）SARS-CoV-2感染机制在人与小鼠中差异巨大，转基因小鼠的ACE2表达是非生理性的 | 90%药物在临床阶段失败，动物预测性差 |
传统2D细胞模型（原代/永生化细胞，养在静态塑料平皿里） | （1）细胞问题：原代细胞来源有限、供体差异大；永生化细胞（如HK-2）在传代后丢失极性、转运体表达和分化标记物 （2）环境问题：静态，缺乏流体剪切力、机械应变、组织-组织界面 | （1）无法反映真实组织结构和细胞间相互作用 （2）无法模拟肾脏的过滤、重吸收等力学依赖功能 |
对策
用人源化模型，从根本上消除人与动物的生理差异。
用iPS细胞通过自组装产生多种肾细胞类型，重现细胞多样性。
用微流控+机械驱动，提供流体剪切力和组织-组织界面，重现力学依赖功能。
解决方案
类器官：利用iPS细胞的自组织能力，重现组织发育和细胞多样性。
器官芯片：利用微流控工程，重现流体力学和组织-组织界面。
类器官和器官芯片的共同出发点是：用人源细胞 + 仿生的微环境，替代动物和静态的平皿，从而更准确地预测人体对药物和疾病的真实反应。
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图1. 基于原代细胞及多能干/胚胎干细胞构建体外肾脏模型（球体、类肾小管、类器官及器官芯片）的代表性技术方案发展历程。
肾脏类器官和肾脏芯片的技术原理、
经典方案及优劣势分析
肾脏类器官
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原理
iPS细胞在3D基质中接受形态发生素（WNT、FGF、BMP、TGFβ）信号，自发自组装成含多种肾细胞类型的微型组织。
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经典方案
Taguchi et al 2014：阶段性WNT刺激→后肾间充质→含肾小球+小管的类器官。
Morizane et al 2015：TGFβ激活→后中间中胚层→FGF9→肾小囊自发形成。
Takasato et al 2015：延长WNT激活→后部中间中胚层→FGF9→形成含足细胞、小管、内皮、间质的类器官。
Freedman et al 2015：iPS包埋于Matrigel + WNT激活→简化方案。
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主要优势
细胞多样性（多种肾细胞共存）、自组织重现发育过程。
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主要局限
胎儿样/不成熟（转录组相当于孕早期至中期）；
高度异质（含神经细胞、肌细胞等非目标细胞）；
缺乏功能性血管网络（仅靠扩散供氧，中心易坏死）；
依赖Matrigel等动物源基质（批次差异大）；
需人工解离导致随机破坏对称性。
肾脏芯片
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原理
微流控芯片含多个流体通道，衬有活细胞，可施加流体剪切力和周期性机械应变。
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经典方案
肾小球芯片（Musah et al 2017）：以多孔PDMS膜隔开双通道，一侧分化足细胞、另一侧培养内皮细胞，在流体+机械应变下重现选择性滤过，阿霉素处理可模拟药物性蛋白尿。
近端小管芯片（Jang et al 2013; Weber et al 2016）：原代或iPS来源小管细胞在流体下极化（AQP1顶侧、Na/K-ATP酶基底侧），重现白蛋白摄取、葡萄糖重吸收（SGLT2）、氨生成、维生素D活化。
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主要优势
可控的流体力学、明确的组织结构、可集成多器官（如肝-肾联用）。
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主要局限
需要外部提供成熟细胞来源；目前仅能建模单一肾区室（肾小球或近端小管），尚未实现完整肾单位串联。
两类平台的关系：类器官提供“细胞多样性+自组织架构”，芯片提供“力学环境+可控灌注”——两者互补，理想的未来方案是“类器官-芯片”（organoids-on-chips）整合。
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图2. 人源肾脏器官芯片模型
肾脏类器官和肾脏芯片的应用及进展：
肾脏正常功能建模与肾脏疾病建模
肾脏正常功能建模
按肾单位的生理流向（血流/滤液路径）依次展开：
1
肾小球（Glomerulus）——滤过起点
结构：毛细血管簇 + 脏层足细胞（紧贴血管的滤过细胞）+ 基底膜（GBM）+ 内皮细胞。
功能：尺寸选择性滤过（<70 kDa）+ 电荷选择性（糖萼）。
模型方案及进展：足细胞-内皮细胞共培养芯片（Musah et al 2017），可重现滤过屏障，表达足细胞标记物（nephrin、podocin、WT1、TRPC6），模拟跨毛细血管压力和剪切力；但目前系膜细胞、周细胞、成纤维细胞等辅助细胞尚未整合。
2
近端小管（Proximal Tubule）——重吸收主战场
结构：刷状缘顶侧 + 漏式紧密连接 + 基底侧Na/K-ATP酶。
功能：
水重吸收（AQP1顶/基底侧）；
葡萄糖重吸收（SGLT2，可被dapagliflozin抑制）；
氨基酸/白蛋白（通过LRP2介导内吞）；
有机离子转运（OAT1/3基底侧摄取，MRP2/4顶侧外排）；
维生素D活化（CYP27B1将25-OH-VD3→1,25-(OH)2-VD3）；
氨生成（调节酸碱平衡）。
模型方案及进展：近端小管芯片中，小管细胞在流体剪切力下形成极化上皮（AQP1分布于顶侧、Na/K-ATP酶分布于基底侧），并成功重现白蛋白摄取、SGLT2介导的葡萄糖重吸收（可被dapagliflozin抑制）、氨生成及维生素D活化等关键功能；该模型可维持培养>28天。
3
集合管（Collecting Duct）—最后把关和调整环节
结构：主细胞 + 闰细胞（A型/B型）。
功能：
主细胞：ENaC介导Na+重吸收（Liddle综合征突变导致高血压）；
闰细胞A型：顶侧质子泵分泌H+（酸化尿液）；
闰细胞B型：基底侧质子泵分泌HCO₃⁻（碱化尿液）。
模型方案及进展：定向诱导集合管类器官（Shi et al 2022）中，FOXI1过表达可使主细胞转分化为闰细胞A型，在Ussing室中展示电生理活性。
肾脏疾病建模
按病因类型横向分类，覆盖化学损伤和生物感染两大类：
1
药理学诱导的肾脏疾病
① 肾小球损伤
诱导剂：
毛细血管簇 + 脏层足细胞（紧贴血管的滤过细胞）+ 基底膜（GBM）+ 内皮细胞。
阿霉素/嘌呤霉素 → 足细胞足突融合、脱落、蛋白尿；
NSAIDs → C3/IgG沉积于GBM，膜性肾病样改变；
双膦酸盐（帕米膦酸盐） → 细胞骨架重组，局灶节段性肾小球硬化。
模型方案及进展：经阿霉素处理的肾小球芯片（Musah et al 2017），可模拟足细胞活力下降、内皮损伤及白蛋白尿等临床表型。
② 肾小管损伤
诱导剂：
顺铂（化疗药） → KIM-1↑、γH2AX灶、CASP3激活、小管结构破坏；
庆大霉素/万古霉素（抗生素） → 小管细胞坏死；
环孢素（免疫抑制剂） → 小管损伤；
马兜铃酸（中药成分，经肝代谢活化） →肝细胞将其代谢为反应性代谢物，进入小管细胞后结合DNA/蛋白质，导致毒性。
模型方案及进展：肝-肾联用芯片（Chang et al 2017），已成功模拟马兜铃酸肾病的临床毒性机制；但不同实验室在顺铂诱导的类器官损伤中观察到的标记物分布不一致（有的在管状细胞，有的在间质细胞），反映出当前类器官模型的异质性问题。
2
病毒感染的肾病
① HIV相关肾病（HIVAN）
疾病特点与机制：塌陷型局灶节段性肾小球硬化（FSGS），好发于携带APOL1高风险突变的患者。HIV病毒不直接表达经典受体（CD4/CCR5/CXCR4），但可通过细胞-细胞接触从感染的T细胞转移至肾小管细胞。
模型方案及进展：目前肾脏类器官/芯片缺乏免疫细胞组分，难以完整模拟HIVAN，该领域尚未充分开发。
② COVID-19相关肾病
疾病特点与机制：重症COVID-19患者中20-40%发生AKI，病理可见肾小球肥大、足突回缩、硬化及小管坏死。足细胞通过ACE2/CD147双受体结合病毒，经CTSL加工入胞，感染后细胞骨架破坏、标记物定位紊乱。
模型方案及进展：COVID-19相关肾损伤类器官模型（Jansen et al 2022），已成功重现SARS-CoV-2感染近端小管（ACE2依赖）和足细胞，以及感染后TGFβ信号激活→胶原沉积（COL1A1、COL3A1）→纤维化样表型，并富集MAPK、TNF-α、JAK-STAT通路；糖尿病肾病类器官模型（Garreta et al 2022）证实高糖培养的类器官更易感，感染后上调CEBPD/STAT3等糖尿病相关通路。当前类器官模型已能有效揭示病毒直接致病的核心通路，未来通过引入免疫细胞组分并促进细胞成熟，将有望更全面地模拟临床AKI的复杂病理过程。
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图3. 器官芯片技术可构建患者特异性肾脏模型，用于药物筛选、机制解析和个性化治疗。
肾脏类器官与肾脏芯片的模型优化策略
细胞成熟与功能的改进
核心问题：
类器官细胞相当于孕早期至中期胎儿肾细胞，不表达成人水平功能蛋白；
长期培养时中心坏死（缺乏血管供养）；
高比例非肾细胞（神经元、肌细胞）。
改进方向：
补充神经/肌分化抑制剂，富集肾谱系；
更换定义明确的基质（如层粘连蛋白521/511替代Matrigel）或合成水凝胶；
类器官-芯片整合（organoids-on-chips）——利用流体灌注改善营养和气体交换、促进血管形成和成熟（Homan et al 2019）；
引入性别多样性：性激素补充或不同性别iPS细胞系，研究性别二态性在肾病中的差异（如APOL1在不同性别中的表现）。
结构与功能的改进
核心问题：
类器官自组装是随机的，组织排列和区室比例不一；
缺少多区室串联（目前只能独立建模肾小球或近端小管）。
改进方向：
利用微流控梯度 + 机械应变，指导细胞沿特定方向排列和分化；
设计卷积（convoluted）通道模拟小管弯曲结构；
引入可编程空间排布（如将输尿管芽上皮和远端肾单位共培养）；
整合功能性血管——从同一iPS系分化出内皮细胞与肾细胞共培养（Musah et al 2021等基因肾小球芯片）。
个体化建模与临床转化
核心问题：
同种族、性别、年龄的患者对药物反应存在显著差异，需在临床前模型中反映这种多样性；
多药联用时药物相互作用难以预判（如抗逆转录病毒药+抗结核药）。
改进方向：
构建患者特异性iPS系（覆盖不同性别、年龄、种族背景），用于高通量药物筛选；
将单细胞测序、空间转录组、多重成像质谱与芯片结合，原位分析健康与疾病状态的基因调控网络；
CRISPR筛选：在患者来源细胞中系统性敲除/修正候选基因，找出驱动致病的关键基因；
多器官芯片串联（如肺-心-肾）研究多器官交互机制与联合用药评估。
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图4. 个性化疾病建模的等基因系统构建策略。
结 语
类器官与器官芯片各有所长、互补共进。类器官提供细胞多样性和自组织架构，芯片提供可控力学环境和功能验证平台。两者整合（organoids-on-chips）+ 基因编辑 + 单细胞多组学，将构建出预测性高、个体化、可规模化的人源化肾脏模型，最终服务于精准肾病治疗和药物研发，并可能替代动物实验成为新药申报的法定工具。
参考文献：
Musah S, Bhattacharya R, Himmelfarb J. Kidney Disease Modeling with Organoids and Organs-on-Chips. Annu Rev Biomed Eng. 2024 Jul;26(1):383-414.
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