双光子聚合3D打印推动微流控技术推动肾脏类器官模型发展

西班牙巴塞罗那科学技术研究所 (BIST) 的 Nuria Montserrat 和 Elena Garreta 团队在Current Opinion in Cell Biology上发表相关论文，讨论了肾脏发育研究如何为从人类多能干细胞 (hPSCs) 获得肾脏类器官的程序定义提供信息。利用 hPSCs 的内在能力，使其在肾脏诱导信号的响应下自我组织，再加上器官型三维 (3D) 培养条件的应用，已经产生了生成肾脏类器官的程序，现在被认为是疾病建模、药物筛选、药物发现和个性化医疗的强大工具。

随着 hPSCs-类器官技术为生物医学和组织工程领域的研究开辟了新的前景，与其有限的成熟度和寿命相关的几个缺点仍然阻碍了这些体外模型在疾病建模和再生应用中的充分实现。

通常，描述 hPSCs-肾脏类器官生成的方法利用了一种逐步的方法，其中首先将 hPSCs 在 7 到 10 天内提交到 IM 样细胞，然后进入 NPCs，然后暴露于 3D 培养条件下，支持在总共 16 到 30 天的分化时间内形成具有肾单位样结构的自我组织类器官。

重要的是，这种单一的上皮化诱导不同于体内肾脏形成的过程，最近的研究描述，在体内肾脏形成过程中，处于不同分化阶段的细胞共存于器官内。

该领域专家提出的另一个重要考虑因素是，迄今为止开发的大多数程序可能更好地模拟中肾而不是后肾肾发生，这可能导致由此产生的肾单位样结构内模式和成熟度较差。除了生化信号传导外，细胞产生和感知的机械力在引导胚胎发育、组织模式和形态发生方面也起着基本作用。如何在体外控制这些机械和化学梯度来引导自组织肾脏类器官，以及这将如何影响细胞命运决定和功能，是开发下一代肾脏类器官模型时面临的当前挑战。

在这方面，最近的 hPSCs-肾脏类器官法结合了生物材料、生物反应器或 3D 生物打印方法的使用，以提供可以改善类器官分化、生长和长期培养的物理线索。

指导肾脏类器官自组织的另一种方法是使用微孔系统来促进高度均匀的细胞聚集体的生成。重要的是，细胞可以感知地形线索，这些线索调节细胞形状、细胞相互作用和细胞施加的力，进而介导细胞增殖和分化的变化。未来，利用软水凝胶和粘弹性材料来设计与肾脏组织相关的形态，以增强 hPSCs 分化为肾脏类器官，也将是一件有趣的事情。

在过去的几年中，微加工和 3D 打印技术已被应用于设计新的毫米和微米级设备，允许在动态条件下进行细胞培养和 hPSCs 衍生类器官培养的维护，包括芯片上的肝脏、芯片上的心脏、芯片上的视网膜和芯片上的肾脏等。

目前的肾脏类器官模型已经证明了它们作为药物诱导毒性筛选的体外平台的实用性，在肾小管和肾小球结构中都表现出特定的损伤反应。

hPSCs-肾脏类器官已成为模拟各种肾脏疾病相关表型的非常有用的平台。Grebenyuk和他的同事们利用Nanoscribe双光子3D打印系统构建了一个微流体装置，并用定制的水凝胶展示了合成毛细管样血管的生成，并成功地长期灌注神经、肝脏和脑类器官，其中神经组织表现出增强的分化。

该设计包括一个可灌注的网格，网格内有由水凝胶制成的毛细管状管，允许在芯片内扩散，芯片连接到一个循环细胞培养基的泵上。这是第一个展示构建可长期存活的大型新生组织的研究。

总的来说，该平台解决了缺乏大型可行的工程组织结构的主要问题，可以作为药物开发和疾病建模的有前途的工具。

在未来几年内，预计我们对人类肾脏发育的理解将有助于从外部控制 hPSCs-肾脏类器官的生成。为此，有必要正确识别促进可扩展 hPSCs-CM 样细胞生成的细胞培养条件，并测试这些细胞的肾分化潜能。

单细胞 RNA 测序 (scRNAseq) 和成像技术相结合，研究妊娠 14 至 17 周的人体肾脏样本，为了解人类肾发生程序提供了新的见解。在这项研究中，作者将转录组数据与发育中的肾单位形态学联系起来，并可以预测细胞类型特异性功能基因网络。目前的 hPSCs-肾脏类器官模型已显示可自主重现肾单位模式事件，并响应肾单位上皮化和模式形成过程中的关键信号通路，例如 Wnt/β-catenin 和 Notch 信号通路。hPSCs-肾脏和 hPSCs-UB 类器官模型都已开始显示出其作为人类模型系统研究和破译基因在人类肾脏发育和疾病中的确切作用的潜力。

利用微工程设备的类器官生理环境的应用是利用类器官分化和疾病建模的另一种强大策略。迄今为止，大多数源自 hPSCs 的肾脏类器官芯片模型已用于药物发现和个性化医疗应用。

希望未来几年对于开发具有更高成熟度和可重复性的新型 hPSCs-肾脏类器官平台至关重要。生物工程方法的应用将使我们能够提高监测和控制细胞自组织、组织模式和分化的能力，从而生成具有更高细胞和功能复杂性的肾脏类器官模型，同时确保高重现性。所有这些进步，连同目前在生成新的器官芯片系统方面所做的努力，这些系统允许细胞控制暴露于生化和生物物理信号，以及重现多器官相互作用的可能性，将对使用 hiPSC 衍生的肾脏类器官从实验室过渡到临床产生重大影响。

相关文献及图片出处

doi.org/10.1016/j.ceb.2023.102306