多囊肾病（PKD）肾脏类器官模型：进展、挑战与转化前景
来源:华津生物微信公众号
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作者:华津生物
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发布时间 :2026-07-24
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该综述系统阐述多囊肾病肾脏类器官模型的研究进展：肾单位类器官（NKO）含近端/远端小管，输尿管/集合管类器官（UKO）聚焦囊肿主要起源部位，更适于加压素通路药物评估。囊肿诱导依赖forskolin/cAMP激活或流体剪切力刺激，后者更具病理相关性。高通量筛选已测试CFTR抑制剂、RAC1抑制剂、SGLT2抑制剂等候选物，并揭示NKO中托伐普坦无效与AVPR2表达缺失相关。当前挑战包括胎肾样成熟度、非肾细胞异质性（10%-20%）、双等位致死突变模拟局限及缺乏免疫/血管/间质组分。改进策略指向类器官移植、微流控灌流及多细胞共培养。类器官正成为PKD基因功能验证与个体化药物评估的关键桥接平台。
多囊肾病（PKD）是最常见的遗传性肾病之一，全球超过1200万人受累，主要包括常染色体显性多囊肾病（ADPKD）和常染色体隐性多囊肾病（ARPKD）。ADPKD是导致肾衰竭的第四大原因，约半数患者在60岁前需要透析或移植，而ARPKD虽罕见，但新生儿期死亡率高达30%。尽管我们对PKD的遗传基础（如PKD1、PKD2、PKHD1等基因）和分子机制（如纤毛信号异常、钙稳态失衡、cAMP通路激活）有了深入认识，但目前美国FDA仅批准了托伐普坦一种疾病修饰药物，且因其肝毒性、多尿副作用和适用人群限制，临床应用并不理想。传统动物模型（如小鼠、大鼠、斑马鱼）在模拟人类PKD方面存在显著局限，例如杂合敲除小鼠囊肿极少，纯合敲除则胚胎致死，斑马鱼也缺乏典型肾囊肿表型，这促使研究者寻求更具人类相关性的替代模型。
在这一背景下，人源多能干细胞衍生的肾脏类器官应运而生，成为PKD研究的重要新兴平台。肾脏类器官可由患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）或通过CRISPR/Cas9基因编辑改造的干细胞分化而成，能够保留个体遗传背景，并模拟人类特异的病理反应。经过十年发展，研究者已成功构建出两类主要的PKD类器官模型：肾单位类器官（NKO）和输尿管/集合管类器官（UKO）。NKO包含近端小管、远端小管等连续肾单位结构，广泛用于ADPKD和ARPKD研究；而UKO则更聚焦于囊肿最常见的起源部位——集合管，对加压素信号更为敏感，因而在模拟ADPKD的集合管囊肿方面具有独特优势。
图1. 用于PKD研究的肾单位类器官分化流程示意图。
图2. 用于PKD研究的输尿管/集合管类器官分化方案示意图。
在基因模型覆盖面上，ADPKD类器官主要聚焦PKD1和PKD2两大主基因，近年也扩展至GANAB、IFT140等次要基因。通过双等位基因敲除或碱基编辑引入无义突变，类器官可自发形成囊肿，且囊肿发生率高达75%～90%，远高于早期模型的6%。对于ARPKD，研究者则使用PKHD1或DZIP1L双等位突变类器官，并通过forskolin等刺激诱导囊肿。值得强调的是，患者来源的杂合突变iPSCs类器官在化学刺激下也能形成囊肿，这更贴近临床患者“单等位基因突变+二次打击”的真实病理状态，为个性化药物筛选提供了可能。
囊肿的形成并非自发完成，通常需要特定刺激因素来驱动。最常见的手段是使用forskolin或8-Br-cAMP激活cAMP通路，这在多数研究中能有效诱导囊肿，但有时也会使野生型对照出现轻微囊肿，提示存在非特异性效应。近年来，流体剪切力作为一种更生理性的刺激方式受到关注，通过微流控芯片施加机械应力，可在ARPKD类器官中选择性扩张远端小管，而近端小管不受影响，这与患者临床表现高度吻合，比单纯的化学刺激更具病理相关性。此外，钙通道阻断剂（如硝苯地平）也被证实可通过降低胞内钙、升高cAMP而加剧囊肿形成，进一步验证了钙-cAMP交叉对话在囊肿发生中的关键作用。
药物筛选是PKD类器官最具转化价值的应用方向。研究者已在96孔和384孔板格式中建立了自动化高通量筛选体系，测试了多种候选化合物。CFTR抑制剂（如CFTRinh172）能剂量依赖性地抑制forskolin诱导的囊肿，而mTOR抑制剂雷帕霉素的效果则因模型和实验条件不同而呈现异质性。值得注意的是，托伐普坦在NKO中未能显著抑制囊肿，这与其靶点AVPR2主要表达于集合管、而NKO缺乏集合管结构有关，提示UKO可能是评估该类药物更合适的模型。此外，通过类器官筛选，研究者还发现了FOS抑制剂（T-5224）、RAC1抑制剂（NSC23766）以及SGLT2抑制剂（达格列净）等新型候选化合物，这些在传统动物模型中难以高效评估的靶点，在类器官中得以快速验证。
尽管前景广阔，当前PKD类器官模型仍面临若干关键挑战。首先是成熟度不足的问题——转录组分析显示，现有类器官更接近妊娠中期的胎儿肾脏，而非成人肾脏，这为模拟成年发病的ADPKD带来了根本性困难。其次是异质性和可重复性问题，不同批次、不同分化方案产生的类器官在细胞组成、囊肿发生率等方面差异显著，单细胞测序发现10%～20%的细胞为非肾谱系（如神经元、肌细胞），干扰实验结果解读。第三，多数研究依赖双等位基因致死性突变，而患者为杂合突变，这可能导致病理过程被过度简化。此外，类器官缺乏免疫细胞、完整血管网络和成熟的间质细胞，限制了对其在囊肿进展、纤维化和炎症中作用的探讨。
为应对这些局限，研究者正在探索多种改进策略。在成熟化方面，将类器官移植到小鼠肾包膜下可促进血管化和结构成熟，降低非目标细胞比例；微流控芯片上的灌流培养也能增强上皮极性和成人基因表达。在标准化方面，推动自动化培养、明确起始细胞系和培养条件，有助于提高批次间一致性。在复杂性上，共培养间质细胞或免疫细胞，或构建类器官-芯片复合系统，可更好地模拟细胞间对话和组织微环境。这些努力正逐步使类器官从“胎儿期简化模型”向“成人期功能性组织”演进。
展望未来，肾脏类器官已成为连接基础研究与临床转化的桥梁，在基因功能验证、药物筛选和个体化治疗评估中展现出独特价值。但要真正发挥其在PKD治疗开发中的潜力，仍需在多方面持续优化：建立更贴近临床杂合突变的模型、引入机械力学和代谢因素、整合多组学分析以揭示新机制，并推动跨实验室的标准操作流程。随着生物工程、基因编辑和单细胞技术的融合，肾脏类器官有望在下一个十年中，为PKD患者带来真正意义上的精准治疗选项。
参考文献：
Afrin H, Qamar U, Robichaud JH, Ellabbad M, Harris PC, Gupta N. Kidney organoid models of polycystic kidney disease: challenges and future directions. Am J Physiol Renal Physiol. 2025 Jul 1;329(1):F143-F159. doi: 10.1152/ajprenal.00116.2025. Epub 2025 Jun 11.
