人体每时每刻都在进行着新陈代谢，肾脏是人体最重要的器官之一，如同体内的“过滤器”一般，承担着清除代谢废物、维持电解质平衡和调节血压等关键生理功能。

肾脏疾病，尤其是慢性肾病（Chronic Kidney Disease, CKD）已成为全球性的健康问题，影响着全球约10%的人口。由于传统动物模型在功能、结构和分子特征上无法充分模拟人类肾脏疾病，缺乏可靠的临床前疾病模型，因而肾脏疾病的治疗选择存在局限。

近年来，随着iPSC衍生肾脏类器官的出现，使其成为在疾病建模、药物筛选、个性化治疗等领域的强有力替代方案，为研究肾脏发育、疾病机制和治疗策略提供了全新视角。

然而，类器官技术仍处于发展阶段，尚无法完全模拟人体器官的复杂微环境。尤其是血管系统方面仍存在挑战。肾脏的功能性高度依赖于其精细的血管网络，而在体外培养条件下重建这一复杂的血管系统十分困难。

近日，由西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所（IBEC）领导的一项研究表明，他们在实验室内成功制造出具有复杂血管系统的肾脏类器官，这个通过3D肾脏类器官与内皮类器官结合而成的类器官组装体“微型肾脏”，在某些特征上类似于人类肾脏。

这项研究不仅为肾脏类器官的开发提供了宝贵见解，而且还为开发新的血管化类器官奠定了实验基础，拓宽了类器官研究的边界。该创新研究有望在临床环境下提升类器官移植和研究通过血液循环影响的全身性疾病（如糖尿病，自身免疫性疾病等）方面的应用前景。

iPSC衍生微型肾脏

类器官“生出”复杂血管

人类肾脏具有复杂的树状结构，包括超过23种分化的细胞类型，这些细胞类型在解剖学上组织在不同的部分，包括血管、间质、集合管和肾单位隔室。它执行中枢生理功能，包括清除我们身体的代谢废物和维持组织液的细胞外稳态平衡。

肾脏的功能性高度依赖于其精细的血管网络，而在体外培养条件下重建这一复杂的血管系统十分困难。

随着再生医学的进步，类器官技术的出现，一定程度上弥补了疾病模型缺乏的不足。类器官可以高度模拟器官功能，及其在体外的三维结构，在疾病建模和药物筛选等方面呈现出巨大潜力。

然而，这些微型器官通常缺乏神经、免疫或血管系统。对于复制肾脏这种高度灌注的组织的复杂血管系统，一直是科学家十多年来的挑战。此外，肾脏类器官的生成过程需要精细调控细胞与细胞外基质（extracellular matrix, ECM）之间的相互作用，而目前对于ECM在肾脏类器官分化中的具体作用理解有限。

因此，开发新的策略以促进肾脏类器官中血管成分的形成，并深入理解ECM在肾脏发育和疾病中的作用，对于提高肾脏类器官的功能性和临床应用潜力具有重要意义。

由西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所（IBEC）领导的一项研究描述了一种在实验室制造“迷你肾脏”的新方法。

他们利用从猪和人肾脏组织中提取的天然细胞外基质（natural extracellular matrix, ECM）衍生的羟基凝胶（hydrogels），来支持hPSCs向肾脏类器官的分化，并促进体外血管生成。

通过一系列精细的步骤，包括组织采集、去细胞化、冷冻干燥和研磨、酶消化以及中和处理，成功获得了能够支持hPSCs向肾脏祖细胞分化的生物材料。

△ 用于肾脏类器官分化的猪肾dECM水凝胶的生成

接着，研究者们采用了两种方法来评估这些羟基凝胶对肾脏类器官分化的影响：2D培养和3D培养。

在2D培养中，hPSCs衍生的肾脏祖细胞在ECM羟基凝胶涂层的培养板上进一步分化；而在3D培养中，肾脏祖细胞与ECM羟基凝胶结合形成球体，进而在悬浮培养条件下分化。

△ 人肾 dECM 水凝胶允许肾脏类器官在 2D 中分化

为了构建具有血管系统的肾脏类器官，研究人员将肾脏类器官与血管类器官组装在一起。

该过程的关键在于识别连接它们的最佳时机，需要同时考虑每个类器官的发育阶段。当这两种类器官结合在一起时，它们会在短短三个小时内就开始相互作用。这个过程的结果确实令人惊叹。

研究结果显示，在ECM羟基凝胶的支持下，肾脏类器官展现出了显著改善的肾脏分化特征和内源性血管成分的形成。特别是在3D培养中，与对照组相比，使用ECM羟基凝胶培养的肾脏类器官表现出更多的内源性血管成分和改善的肾脏细胞形态。

进一步地，研究者们探索了通过将hPSCs衍生的血管前体细胞球体与肾脏类器官组装，来诱导血管化的新方法。这种方法有效地促进了血管样结构的形成，并在肾脏集合体中形成了丰富的血管网络。这些集合体展现出了与肾脏发育过程中类似的血管化特征，表明ECM羟基凝胶在促进肾脏类器官血管化方面具有重要潜力。

△ 对在水凝胶床培养下生成的代表性第 20 天组装体和肾脏类器官进行免疫荧光和共聚焦分析，以检测近端小管 (LTL)（绿色）、内皮细胞 (CD31)（红色）、足细胞蛋白 (NEPHRIN)（洋红色）和 DAPI 细胞核染色（蓝色）

这项研究不仅展示了利用天然ECM羟基凝胶在肾脏类器官分化和血管化中的潜力，而且还揭示了ECM与干细胞相互作用在肾脏发育中的重要性。通过结合肾脏类器官与血管前体细胞球体，研究者们成功构建了具有血管样结构的三维自我组装的肾脏-血管集合体（kidney-endothelial assembloids），这为肾脏类器官的血管化提供了一种新的方法，并为未来肾脏疾病的研究和治疗提供了新的思路。

该研究不仅填补了当前肾脏类器官技术在模拟肾脏血管系统方面的空白，还为肾脏疾病的机制研究和药物筛选提供了新的模型。此外，通过深入探索ECM在肾脏发育中的作用，这项工作为开发新的肾脏疾病治疗策略提供了理论基础。总之，这项研究在肾脏再生医学和组织工程领域具有重要的意义，为未来实现肾脏疾病的有效治疗和再生提供了科学依据和新的方向。

3D打印+类器官

再生医学拓宽研究边界

该研究证明了从猪和人肾脏组织中提取的天然细胞外基质（ECM）羟基凝胶，作为一种创新的生物材料，可用于支持肾脏类器官的分化和血管化。

众所周知，水凝胶在类器官培养中起着至关重要的作用，它们为干细胞提供必要的三维环境，模拟细胞外基质的升华和生物物理特性，从提供细胞外基质模拟到实现对培养环境的精确控制，从而促进类器官的生长和发育。

在之前的研究中，研究人员已发现他们构建的肾类器官含有血管前体细胞——内皮细胞，即最终形成血管的细胞。基于此，他们利用猪或人的肾组织，制造出一种可用作三维打印墨水的生物相容性水凝胶。

在本研究中，研究人员进一步优化了技术，使其更方便、更经济。在构成水凝胶的所有蛋白中，他们选择了肾组织胞外基质中含量最高的蛋白之一：胶原蛋白I（collagen I），并生成了一种生物相容性凝胶，来验证他们的实验结果。

△ 在37°C下凝胶化预凝胶化产生的人类dECM-hyd的代表性图像

该研究的第一作者，加泰罗尼亚生物工程研究所Montserrat团队研究员Elena Garreta Bahima说，“对于那些通过血液循环影响肾脏的全身性疾病，比如自身免疫病和糖尿病，我们的类器官模型需要具备相应的血管系统。我们认为，在这项研究中使用的方法也可能应用于其他得类器官模型。”

他们表示，研究团队下一步将是在微流控芯片上引入这些血管化的类器官，以便能够进行更专业的研究，从而模拟复杂疾病中出现的情况，并探索与其他类器官（如心脏类器官）的血管连接，这项工作目前正在IBEC的实验室中进行。

这项研究的成功，意味着肾脏类器官血管化的重大突破，标志着类器官技术与3D生物打印技术的结合，在联合应对复杂疾病问题时呈现的积极有效策略，类器官研究成功拓宽研究边界，为患者精准医疗和个性化治疗提供了更广阔的选择。

参考文献：

[1] Elena Garreta et al, Natural Hydrogels Support Kidney Organoid Generation and Promote In Vitro Angiogenesis, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202400306