最新研究！iPSC肾类器官与Tubuloid模型系统比较，揭示模型选择新策略！
来源:华津生物微信公众号 | 作者:华津生物 | 发布时间 :2025-08-21 | 59 次浏览: | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:
本研究通过转录组系统比较iPSC肾类器官、成人Tubuloid及胎儿Tubuloid模型。结果显示，iPSC类器官近端小管标志表达最强，适于发育与遗传病研究；成人Tubuloid富集合管与炎症衰老基因，适合慢性损伤建模；胎儿Tubuloid保留发育特征，适用于先天性肾病。研究还利用iTubuloid建立重复缺氧模型，揭示了AKI向CKD进展的恶性修复机制，为肾脏疾病精准建模提供了新策略。
   研究封面图    

近日，肾脏研究领域期刊Kidney360发表了题为“Comparative Analysis of Human Kidney Organoid and Tubuloid Models”的研究论文。该研究利用转录组测序系统比较了iPSC衍生肾类器官、成人Tubuloids（类肾小管）、胎儿Tubuloids与成人肾组织，首次构建了多模型的分子特征对照图谱，并揭示了iPSC类器官在近端小管建模中的独特优势，以及Tubuloids在长期损伤与炎症衰老研究中的潜力。

   图形摘要

图形摘要

学术亮点

  • 首次系统比较：三类Tubuloids（成人、胎儿、iTubuloids）与 iPSC 肾类器官和成人肾组织的表达谱，揭示模型间的共性与差异。

  • iPSC类器官优势突出：近端小管标志基因（LRP2、HNF4A、CUBN）在 iPSC 类器官中表达最高，优于任何Tubuloid。

  • 成人Tubuloids特征：集合管相关基因（AQP2、AQP3）和炎症/衰老相关基因显著上调，适合慢性损伤和老龄化研究。

  • 胎儿Tubuloids潜力：保留发育中输尿管芽标志（RET、PSCA、HPGD），适合先天性泌尿系统畸形（CAKUT）研究。

  • 功能验证：iTubuloids在一次缺氧损伤后可恢复，但多次缺氧暴露触发恶性修复与炎症级联反应。

背景与目的

肾脏由上百万个肾单位组成，其中肾小管上皮不仅在水盐平衡与代谢中发挥核心作用，也容易受到遗传、环境及代谢性损伤。传统研究依赖动物模型或单层人肾细胞培养，但这些系统在通量、转化相关性以及复杂肾单位结构的还原上均存在局限。近年来，出现了两大类人源3D模型：

  • iPSC衍生肾类器官（Kidney organoids）：可模拟胎儿期肾发育，含多种细胞类型（近端/远端小管、足细胞、间质等），已用于急性肾损伤、遗传性疾病及感染研究。

  • 类肾小管（Tubuloids）：由成人或胎儿肾组织、尿液细胞，或 iPSC 类器官二次培养获得，主要由单一上皮类型构成，具有长期扩增和冷冻保存的优势。

然而，这些模型之间到底有何异同？哪种更适合模拟不同类型的肾脏疾病？现有认识仍不足。因此，本研究通过转录组测序系统比较iPSC类器官、成人Tubuloids、胎儿Tubuloids与人肾皮质组织，旨在：

  • 明确各模型的细胞类型和成熟度特征；

  • 评估它们在疾病建模（发育、遗传、炎症/衰老、慢性损伤）中的适配性；

  • 探索 Tubuloids 在重复损伤/缺氧条件下的反应，为AKI向CKD 进展研究提供新平台。

研究方法

模型来源

  • iPSC肾类器官：采用改良Takasato分化协议，在分化第20天与第25天采样。

  • 成人Tubuloids：来源于3例肾切除术患者的健康皮质组织。

  • 胎儿Tubuloids：首次从12–14周胎龄人类胎儿肾脏建立。

  • iTubuloids：由 iPSC 类器官经解离、Matrigel 包埋及R-spondin 条件培养基诱导生成。

培养与传代

  • 各类Tubuloids在2–3天内形成囊性/卷曲结构，并可每周传代。

  • 培养超过8代时，常见成纤维样细胞增多，提示长期培养的限制。

分子检测

  • 所有样本进行3′-端 RNA 测序（RNA-seq），比对人基因组 GRCh38。

  • 使用 limma/voom 分析差异表达基因，并结合 DAVID/KEGG 做功能富集。

功能性实验

  • 以iTubuloids为代表，建立 缺氧损伤模型：在传代后第4–6天暴露于1%O₂，其余时间19%O₂；

  • 分为单次缺氧与三次重复缺氧 两组，以评估急性损伤后的修复能力 与 反复损伤后的恶性修复表型。

结果

整体表达谱对比

  • 三类Tubuloids（成人、胎儿、iTubuloids）在转录组聚类中彼此相近，但均与 iPSC 肾类器官和成人皮质肾组织存在差异。

  • 成人Tubuloids的样本间变异最大，提示来源差异较大。

  • 近端小管特征

    • 出乎意料地，iPSC类器官的近端小管标志物（LRP2、HNF4A、CUBN）表达最高，超过所有 Tubuloid。

    • 成人Tubuloids 在近端标志上略优于胎儿和 iTubuloids，但整体仍弱于 iPSC 类器官。

  • 远端小管/集合管特征

    • 成人Tubuloids：集合管标志（AQP2、AQP3、TMEM213、STC1）显著上调。

    • 胎儿Tubuloids：富集发育中输尿管芽标志（RET、PSCA、HPGD、CBLC 等）。

  • 三类Tubuloids

    • 均保留远端小管/亨利袢标志（SLC12A1、CASR、KLHL3 等），但 UMOD 在所有模型中均未检测到。

   人肾类器官和Tubuloids与人肾的比较

图1. 人肾类器官和Tubuloids与人肾的比较

修复、炎症与衰老特征

  • 三类Tubuloids 均显著上调修复/再生相关基因（SOX9、CD44、PROM1、NT5E）。

  • 成人Tubuloids的炎症（LCN2、STAT3、CXCL1、ICAM1、SAA1）与衰老（CDKN2A、B2M、OSMR、MLKL）基因表达最强，反映更贴近慢性应激状态。

   增殖、再生和代谢标志物热图

图2. 增殖（Prol）、再生和代谢标志物的log2 CPM标准化表达水平热图

   衰老和炎症相关标志物热图

图3. 与衰老和炎症相关标志物的log2 CPM标准化表达水平热图

遗传性疾病相关基因

  • 超过130个遗传性肾病相关基因在三类Tubuloids中均有表达；其中 55个基因 在某一特定来源的Tubuloids中显著富集。

  • 胎儿Tubuloids更适合模拟先天性泌尿系统畸形（CAKUT）；iTubuloids的基因表达水平介于胎儿与成人Tubuloids 之间。

缺氧损伤实验

  • 单次缺氧：iTubuloids 可在修复期（d11）恢复至接近对照水平。

  • 三次缺氧：出现恶性修复表型，炎症/纤维化/凋亡标志显著上调（如 LCN2、SAA1/2、S100A8/9、CASP3/9、IL1B、IL18、CXCL5/6），提示反复损伤导致 慢性炎症与不良修复。

结论

本研究建立了iPSC肾类器官、成人/胎儿Tubuloids与成人皮质肾组织的系统对照图谱，明确了各模型在细胞类型、成熟度与生物学通路上的共性与差异：

  • iPSC肾类器官在近端小管（LRP2、HNF4A、CUBN）标志上表现最强，且具备更丰富的细胞谱系与发育窗口，适合研究肾发育、近端相关疾病与遗传突变效应。

  • 成人Tubuloids富集集合管标志并呈现更强的炎症/衰老与代谢特征，适于模拟慢性应激、老龄化与长期损伤场景。

  • 胎儿Tubuloids保留发育中输尿管芽特征，特别适用于CAKUT等先天性疾病的机制与干预探索。

  • iTubuloids可长期传代，证实可用于重复缺氧建模：单次缺氧后可恢复，而多次缺氧会触发恶性修复与炎症/纤维化级联，提供了研究 AKI→CKD 进展 的人源平台。

局限与展望：本研究主要基于bulk RNA-seq，对混合群体的细胞型解析有限；未来结合单细胞组学、蛋白与功能测定，并通过优化培养基/补充间质信号/分区取材，有望进一步提升Tubuloids 的肾单位特异性与成熟度，扩展其在精准疾病建模与新药开发中的可用性。

总结

这项Kidney360研究比较了iPSC肾类器官、成人Tubuloids和胎儿 Tubuloids。结果显示：

  • iPSC类器官：近端小管特征最强，适合发育研究和遗传/药物毒性建模；

  • 成人Tubuloids：集合管、炎症和衰老特征明显，适合慢性损伤研究；

  • 胎儿Tubuloids：保留发育标志，适合CAKUT等先天异常研究；

  • iTubuloids：可传代，揭示重复缺氧触发“恶性修复”，为 AKI→CKD 研究提供平台。

结论：类器官与Tubuloids各具优势，互为补充，为肾脏疾病建模与药物开发提供精准选择。

参考文献：
       Nunez-Nescolarde AB, Santos LL, Kong L, Ekinci E, Moore P, Dimitriadis E, Nikolic-Paterson DJ, Combes AN. Comparative Analysis of Human Kidney Organoid and Tubuloid Models. Kidney360. 2025;6(7):1073–1084. doi:10.34067/KID.0000000834