引言

肾脏髓质的高渗环境（可达1200–4000 mOsm/kg）长期被视为尿液浓缩的“结果”，但一项新研究颠覆了这一认知——高渗（tonicity）本身就是驱动髓质集合管（CD）成熟的发育信号。日本熊本大学Ryuichi Nishinakamura（西中村隆一）团队结合单细胞转录组测序（scRNA-seq）与小鼠/人源肾脏类器官技术，揭示NFAT5（TonEBP）作为核心转录因子介导高渗诱导的集合管形态、转录和功能成熟，并建立成熟人源集合管类器官平台。该平台已用于NFAT5缺失、锂诱导性及先天性肾性尿崩症（NDI）三种状态，并可扩展至ADPKD、AQP2突变功能评估、高血压研究、药物筛选及发育/进化研究。研究于2026年10月2日发表于Nature Communications，题为 Tonicity drives collecting duct maturation in the mammalian kidney。

首先，研究团队从小鼠胚胎第11.5天（E11.5）肾脏中分离输尿管芽（UB），在体外以阶梯式递增的渗透压（最终750 mOsm/kg）进行培养。结果显示，高渗环境导致集合管管腔扩张、细胞高度和胞质面积增加，极化上皮标志物（如cadherin-16、mucin 1）上调，顶端初级纤毛伸长。值得注意的是，蔗糖也能产生类似效应，而尿素则不能——这表明有效渗透压（tonicity）而非单纯渗透压是关键的发育线索。将渗透压回调后，成熟的集合管仍保持一定可塑性，说明成熟状态是“可逆的适应性连续体”。

图1. 高渗驱动小鼠集合管形态学成熟。

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随后，通过scRNA-seq分析，研究团队发现高渗环境使集合管细胞的转录组整体向出生后第7天（P7）髓质主细胞靠拢，涉及转录因子、通道/转运体、代谢酶、细胞外基质/黏附分子等多个功能类别。高渗上调了43.1%的髓质集合管成熟标志基因，并富集到体液调节、集合管发育和缺氧相关通路。此外，高渗还增强了AVP诱导的AQP2顶端膜转位、UT-A（Slc14a2）表达、尿素耐受性和PGE2生成，表明集合管获得了关键生理功能。

图2. 高渗驱动小鼠集合管转录组和功能成熟。

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接下来，研究团队聚焦于NFAT5——已知唯一能将细胞外高渗应激转化为下游信号通路的转录因子。在P7肾脏中，NFAT5蛋白特异性表达于髓质（而非皮质）的集合管和基质细胞核内。条件性敲除Nfat5后，即使在高渗条件下，集合管生长受损、上皮结构紊乱。scRNA-seq分析表明，NFAT5调控了55.5%的高渗诱导髓质集合管成熟标志基因，是高渗诱导集合管成熟的主要调控者。

图3. NFAT5调控小鼠集合管成熟。

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接着，研究团队在体内验证了这一机制。通过给予新生小鼠呋塞米（furosemide，SLC12A1/NKCC2抑制剂）来减少髓质NaCl积累，发现P7小鼠内髓发育受损，NFAT5信号减弱，且高渗诱导的成熟标志物（如Wnt4、Hif1a、Col4a3、Slc14a2、Avpr2）表达下降。这表明高渗在体内同样驱动集合管和髓质的成熟。

图4. NaCl耗竭损害体内髓质成熟。

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进一步，研究团队发现高渗单独作用时AQP2上调有限，而高渗联合激素（AVP和醛固酮）可显著上调AQP2至接近P7集合管水平。scRNA-seq分析显示，高渗和激素分别调控43.1%和11.0%的髓质主细胞成熟标志基因，仅7.0%重叠，但水相关转运体/通道（Aqp2、Aqp4、Slc14a2）受两者共同调控。整合P7数据集后，联合培养的集合管细胞与P7内髓主细胞重叠，表明高渗与激素协同将集合管成熟推进至出生后阶段。

图5. 高渗与激素协同促进小鼠集合管成熟至出生后阶段。

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最后，研究团队将小鼠成熟方案应用于人诱导多能干细胞（iPSC）来源的UB类器官。由于人UB类器官对高渗更敏感，研究团队加入forskolin（FSK）并延长渗透压递增周期。在高渗（900 mOsm/kg）联合激素且去除分支因子的条件下，人源集合管类器官表现出管腔扩张、细胞高度增加、AQP2顶端膜定位和AQP3基底侧定位增强，AVPR2表达上调约120倍，并获得ddAVP响应性。scRNA-seq分析显示，联合方案培养的集合管类器官CD细胞中97.0%表达AQP2，与成人髓质主细胞聚类一致，成熟度超越现有肾脏组装体（高阶肾脏类器官）。

图6. 高渗与激素协同构建成熟人源集合管类器官。

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随后，研究团队利用成熟人源集合管类器官进行疾病建模。NFAT5敲除集合管类器官无法耐受900 mOsm/kg，AQP2表达显著降低，而SCNN1A/SCNN1G（ENaC亚基）上调，提示NFAT5变异可能与盐敏感性高血压相关。锂处理导致AQP2和AQP3下调，并损害水通透性。携带AVPR2 Q174R突变的先天性NDI集合管类器官则失去ddAVP诱导的AQP2顶端膜转位和水通透性响应。研究团队还建立了3D类器官水通透性检测方法，通过低渗刺激下的体积变化定量评估AQP功能。这些结果表明，该平台不仅可用于NDI建模，还可扩展至ADPKD、AQP2突变功能评估、高血压研究、药物筛选及发育/进化研究。

图7. 成熟集合管类器官可能达到成人阶段。

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图8. 成熟人源集合管类器官的疾病建模。

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这项研究构建了一条完整的证据链：高渗环境→NFAT5激活→集合管形态/转录/功能成熟→体内验证→人源集合管类器官疾病建模→多场景应用平台。研究首次证明，高渗（盐）不仅是尿液浓缩的结果，更是驱动肾脏髓质集合管成熟的发育信号，而NFAT5是这一过程的核心转录开关。通过将高渗与激素协同，研究团队成功将人源集合管类器官成熟度推进至成人阶段，并建立了可模拟NFAT5缺失、锂诱导性NDI和先天性NDI的疾病模型。更重要的是，成熟人源集合管类器官+水通透性功能检测平台具有高度可扩展性，已明确提出可用于ADPKD、AQP2突变功能评估、高血压研究、药物筛选和发育/进化研究，为多种肾脏疾病的机制研究、药物研发和精准医疗提供了强有力的通用工具，也为类器官再生医学的成熟度优化提供了新范式。