肾脏类器官：为遗传性肾病精准治疗开辟新路径
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 :2026-07-27
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蒋敬庭、杨敏团队在Experimental and Therapeutic Medicine发表综述，系统梳理hiPSC肾脏类器官在遗传性肾病建模中的应用：ADPKD类器官通过cAMP/Forskolin诱导囊肿并筛选通读化合物；ARPKD类器官结合类器官-芯片揭示RAC1/c-Fos机械敏感轴；法布里病类器官再现“斑马小体”并验证抗氧化/基因编辑策略；Alport综合征类器官显示基底膜缺陷的基因型依赖性。当前核心瓶颈为细胞成熟度不足（胎肾样状态）及批次间异质性（肾祖细胞变异30%-40%）。改进方向指向移植促血管化、标准化定量基准（肾谱系纯度>80%）及芯片/生物打印技术整合。
近日，苏州大学附属第三医院（常州市第一人民医院）蒋敬庭教授、杨敏教授团队在 Experimental and Therapeutic Medicine 在线发表了一篇题为《Kidney organoids as models for hereditary kidney diseases: Toward precision medicine (Review)》的综述，系统梳理了人诱导多能干细胞（hiPSC）肾脏类器官在遗传性肾脏疾病建模及精准医学中的研究进展。本文基于该综述，就肾脏类器官领域的最新进展作一梳理，以期为相关领域研究者提供参考。
慢性肾脏病（CKD）已成为全球性公共卫生挑战。据2023年全球疾病负担研究，全球约有7.88亿成年人受CKD影响，较1990年的3.78亿大幅上升，位居全球死因第九位。除糖尿病、高血压等传统诱因外，遗传性肾病是CKD的重要病因之一。然而，当前透析和肾移植两种主要治疗手段均存在显著局限：透析无法完全替代肾功能，移植则面临供体短缺和终身免疫抑制问题。在此背景下，基于人诱导多能干细胞（hiPSCs）的肾脏类器官技术应运而生，为遗传性肾病的研究和个体化治疗开辟了新路径。
肾脏类器官技术的理论基础源于对肾脏胚胎发育过程的精确模拟。正常肾发育始于输尿管芽与后肾间充质之间的相互诱导，涉及Wnt、FGF、BMP等多条信号通路的精细调控。2015年，两项研究（Morizane et al 2015、Takasato et al 2015）证实人多能干细胞（hPSCs）可被定向诱导形成含有肾单位样结构及多种肾谱系的肾脏类器官，由此奠定了现代肾脏类器官研究领域的基础。自此以来，该领域已发展出多种分化策略：
经典多阶段法（Classic multi-stage protocol）通过时序性调控Wnt、FGF和BMP等关键信号通路，逐步引导细胞经原始中胚层、中间中胚层，最终形成具有自我组织能力的肾祖细胞群，并进一步分化为包含肾小球、近端小管、远端小管及间质成分的三维结构。该方法重复性好，但不同细胞系间存在约30%的肾单位比例变异。
优化简化法（Optimized/simplified protocol）减少外源生长因子种类，主要依赖FGF9驱动自我组织，成本更低且操作简便，但对肾单位亚型分化控制力有限。
腹侧中胚层法（Ventral mesoderm protocol）通过早期BMP4和维甲酸处理提高肾祖细胞纯度，减少非肾谱系污染，但信号调控更为复杂。
肾单位亚型诱导法（Nephron subtype protocol）通过在特定阶段添加VEGF或持续激活Wnt/BMP信号，定向富集肾小球或近端小管，适合节段特异性疾病研究。
组装/共培养法（Assembly and co-culture protocol）则分别诱导不同肾祖细胞群后再进行三维组合，有助于研究组织间相互作用，但技术难度高、通量低。
肾脏类器官结合CRISPR/Cas9基因编辑技术，已在十余种遗传性肾病中成功构建疾病模型，再现了关键病理表型：
常染色体显性多囊肾病（ADPKD） ：由PKD1/PKD2突变引起。利用CRISPR敲除或碱基编辑技术构建的类器官可形成肾小管囊肿。研究发现杂合突变类器官不自发形成囊肿，提示存在治疗干预的潜在窗口；此外，该模型还筛选出一类小分子化合物，能够帮助携带无义突变的细胞重新合成完整蛋白，具有靶向治疗潜力。
常染色体隐性多囊肾病（ARPKD） ：主要由PKHD1基因突变导致。患者来源的ARPKD类器官模型显示，cAMP激活剂佛司可林（Forskolin）可诱导纯合突变类器官发生广泛囊肿形成，而杂合子及野生型对照反应显著减弱。进一步结合类器官-芯片技术，研究发现流体剪切力通过机械敏感蛋白RAC1和c-Fos信号轴促进囊肿发生，揭示了机械应力在ARPKD发病中的新机制。
法布里病（Fabry's disease）：由GLA基因突变导致α-半乳糖苷酶A活性缺失，糖鞘脂Gb3在足细胞和肾小管细胞中异常沉积，引发细胞结构变形、氧化应激及凋亡。患者来源的肾类器官中可观察到典型的“斑马小体”超微结构，特征性再现了法布里肾病的病理改变。基于该模型，研究验证了抗氧化剂（谷胱甘肽）和A4GALT基因敲除（减少Gb3合成）两种策略均可有效缓解病理表型，为药物开发提供了可靠平台。
Alport综合征：COL4A3-5基因突变致Ⅳ型胶原异常。患者来源类器官再现了基底膜成分失调，化学伴侣4-苯基丁酸可改善轻度表型的基底膜缺陷，但对重度表型无效，提示基因型指导的个体化治疗必要性。
Gitelman综合征：SLC12A3突变致噻嗪类敏感钠氯协同转运体表达下降，基因编辑校正可恢复其表达水平，但电解质的转运功能障碍仍有待更成熟的平台加以验证。
其他：肾单位肾痨、胱氨酸病、核大性间质性肾炎、常染色体显性肾小管间质性肾病、肾小管发育不全及肾病综合征等疾病也均在类器官平台中得到建模，分别揭示了纤毛功能缺陷、溶酶体胱氨酸蓄积、DNA修复障碍、蛋白异常聚集、血管生成延迟和裂隙隔膜形成异常等机制。
图1. 基于hiPSC的遗传性肾病类器官模型构建及药物筛选应用
为突破类器官的局限性，研究者发展了多项整合技术。移植模型方面，将类器官移植至免疫缺陷小鼠肾包膜下或鸡胚体腔内，可促进宿主来源血管化、足细胞足突形成和选择性滤过功能。类器官-芯片技术通过微流体系统模拟流体剪切力和管腔内压力，增强上皮细胞极化和功能成熟，并可实现药物毒性的实时监测。3D生物打印则通过精确控制细胞位置和数量，显著提高类器官的可重复性和通量，减少批次间差异。此外，类器官技术已扩展至感染性疾病领域，成功构建了SARS-CoV-2和BK多瘤病毒的肾感染模型。
尽管前景广阔，肾脏类器官的临床转化仍面临多重障碍。首要问题是细胞不成熟：类器官中的细胞大多停留在胚胎或胎儿阶段，缺乏成人肾脏特有的功能蛋白表达和完整的生理功能。批次间异质性显著，同一细胞系的不同分化批次间肾祖细胞数量变异可达30%～40%，严重影响实验结果的可重复性。关键细胞类型缺失——血管内皮细胞和免疫细胞的缺乏限制了炎症、免疫相关肾病及复杂组织相互作用的建模。此外，类器官缺乏完整的宏观解剖结构，无法模拟肾小球滤过和肾小管重吸收等核心功能，大量研究也未对电生理特性、转运活性和血管化效率进行系统评估。
实现肾脏类器官从“培养皿中的模型”向“床旁个体化治疗工具”的跨越，需在多方面协同推进。标准化体系建设是当务之急，建议建立定量基准指标，包括类器官大小分布（变异系数目标<20%）、单细胞转录组肾谱系纯度（>80%）及功能性检测（如FITC-菊粉清除率、Na⁺/K⁺-ATP酶活性）。监管与生产规范方面，需推行无异源成分的培养体系和严格的质量放行标准，同时应对尚处早期阶段的监管框架。技术融合方向，整合患者特异性iPSCs、CRISPR基因编辑、报告细胞系、微流控芯片和生物打印平台，有望构建更接近人体生理的疾病模型，实现基因型指导的药物筛选和个体化治疗方案设计。尽管道路漫长，肾类器官正逐步展现其从“在培养皿中模拟疾病”迈向“为患者量身定制疗法”的巨大潜力，为遗传性肾病的精准医学带来实质性突破。
参考文献：
Cui S, Chen T, Zou Y, Li M, Zhou H, Jiang J, Yang M. Kidney organoids as models for hereditary kidney diseases: Toward precision medicine (Review). Exp Ther Med. 2026 Jul 6;32(3):238.
