研究人员首先将培养至第18天的肾脏类器官置于1%的低氧环境中暴露48小时，以模拟缺血性损伤，随后再恢复常氧培养5天，观察其修复过程。通过整合转录组、蛋白质组、代谢组、单细胞测序和空间转录组等多组学分析，他们发现该模型成功复现了AKI的关键病理特征。在急性损伤期，类器官表现出典型的缺氧诱导因子（HIF）激活、糖酵解代谢增强、细胞周期停滞以及能量代谢紊乱，表现为ATP减少和乳酸堆积。然而，即使在恢复常氧5天后，类器官并未完全修复，而是呈现出持续的炎症信号、线粒体功能障碍和脂质代谢异常，这与临床上AKI后易进展为慢性肾病（CKD）的代谢特征高度一致。

图1. 评估来自三个iPSC细胞系的肾脏类器官中的缺氧损伤

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图2. 肾脏类器官中缺氧损伤与修复的转录组分析

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图3. 缺氧损伤与修复的蛋白质组学分析

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研究进一步揭示了肾单位不同节段对损伤的异质性反应。单细胞测序显示，缺血性损伤导致所有肾单位细胞类型的特异性标记物和功能基因普遍下调，但恢复情况却各不相同。足细胞和远端小管的标记物在恢复期基本回归正常，而近端小管的修复则最为迟缓，其关键转运体和代谢基因仅呈现部分恢复。部分近端小管细胞能够重建其身份，而另一些则滞留在一种去分化的损伤相关状态，并伴随VCAM1和CDKN1A等蛋白的局灶性高表达。通过比对人类肾脏精准医学项目（KPMP）的损伤特征，研究确认这些持续存在的近端小管细胞富集了与人类AKI中适应不良修复相关的转录程序，并上调了GDF15、MMP7、SPP1和ICAM1等炎症与损伤标志物，表明即使结构有所恢复，细胞层面的炎症记忆依然存在。

图4. 单细胞RNA测序分析揭示缺氧损伤后细胞比例和增殖的变化

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图5. 损伤和炎症特征在肾单位中富集，并在近端小管中呈现持续效应

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图6. 基于质谱的代谢组学支持缺氧损伤期间及损伤后存在代谢失调和线粒体功能障碍

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该研究还将iPSC分化的巨噬细胞以低比例（5%）整合入肾脏类器官，以模拟生理状态下的免疫细胞-上皮细胞串扰。整合的巨噬细胞在常氧下呈现静息、组织驻留样表型，但遭受缺氧损伤后，它们迅速转变为激活的炎症状态，上调多种细胞因子、趋化因子和基质重塑因子的表达。空间转录组分析进一步发现，在同一个损伤类器官中，含有巨噬细胞区域的受损肾小管表现出更强的免疫调节和吞噬相关信号，而缺乏巨噬细胞的区域则富集了增殖和修复相关基因，揭示了巨噬细胞在损伤微环境中对上皮细胞命运的双向调控潜力。

图7. 人巨噬细胞在受损类器官中启动促炎反应

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图8. 巨噬细胞对损伤与修复影响的空间转录组学分析

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综合来看，这项研究证明了人肾脏类器官能够复现缺血性AKI的核心上皮和代谢反应，包括节段性损伤差异、持续炎症状态和异质性修复，并为研究巨噬细胞与上皮细胞的相互作用提供了一个可控且可规模化的人源平台。尽管当前的类器官系统仍受限于发育不成熟、缺乏血管和完整免疫环境等不足，难以完全模拟慢性纤维化等晚期病变，但它无疑为深入理解AKI的病理机制和筛选新的治疗靶点开辟了新的途径，是对现有动物模型和临床活检研究的重要补充。

参考文献：

Nunez-Nescolarde AB, Liao Y, Perlaza-Jiménez L, Piran M, Cheng Z, Barlow CK, Steele JR, Deveson D, Moreau JLM, Lee HC, Li J, Schittenhelm RB, Wells CA, Shi W, Nikolic-Paterson DJ, Combes AN. Modelling ischaemic AKI in human kidney organoids reveals injury-associated epithelial states and macrophage-epithelial crosstalk. Genome Med. 2026 Aug 19;18(1):119.