2015年10月，一篇刊登在国际杂志Nature上的研究报告表示，科学家们在实验室中成功利用干细胞培养出了具有初步生长状态的人类肾脏组织，而这一过程通向在实验室中开发全功能性的移植器官又进了一步。
干细胞是肾脏疾病建模的重要工具，也是实验性再生医学和药物筛选的重要工具。成熟的肾脏中有20多种不同的细胞类型，这增加了模型的复杂性，同时也提供了研究促进分化的多谱系特异性条件的机会。
脊椎动物的肾脏是动态器官，对体内平衡至关重要。它的功能包括流体/电解质平衡、血压调节和废物过滤，这些都是生存所必需的。慢性疾病，如糖尿病和高血压，可能导致不可逆的器官损害和终末期肾脏疾病。对于某些肾脏疾病，如透析和/或肾移植，存在可行的治疗方案。然而，移植器官的短缺和长期透析所固有的临床挑战为替代疗法，包括干细胞疗法提供了一个强有力的论据。
开发肾脏“类器官”
人类多能干细胞(hPSCs) 在非常明确的培养条件下，能在大约25天内发展成肾脏类器官。通过对小鼠胚胎成纤维细胞的条件培养基的生长，使HSPCs开始分化过程。 HSPCs培养于来自小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs) 的条件培养基，开始其分化过程。 MEFs含有非必需氨基酸的DMEM/F12，血清替代物，2-巯基乙醇，补充10 ng/ml bFGF。一旦hPSCs达到高度的细胞汇流，它们就被转移到一个人工基底膜涂层的培养皿中，并在MEF条件培养基中生长2天(添加加10 ng/ml bFGF)，每天进行培养基的更换。此时，细胞已经准备好进入中间中胚层。中胚层分化是通过四天的孵育与8µM CHIR99021,它是一个强有力的糖原合成酶激酶3(GSK3) 抑制剂在制定的培养基。中胚层分化阶段通常持续四天。
经过CHIR99021处理后,中胚层阶段细胞继续在APEL培养基中生长约三天,补充200 ng / mL FGF9和1µg /毫升肝素。此时，细胞已经为三维的(器官)组装做好了准备。每一种肾脏类器官都以5万个细胞的种子为起点，用微量离心管离心分离胰蛋白酶离解细胞。培养的类器官在APEL培养基生长5天，补充200 ng / mL FGF9和1µg /毫升肝素。FGF9和肝素在5天后从培养基中移除，而肾类器官在APEL培养基中继续生长6-13天。由此产生的肾脏器官的直径为3-5毫米，表达标志物，形态与肾小球、近端小管、远端小管、收集导管、内皮细胞和肾间质细胞一致。
另一种从hPSCs中生成三维肾脏细胞结构的方法是Yoshimura描述的。 Yoshimura 14天方法如下：开始于iPSCs涂布，第一天加入0.5 ng/ml BMP4 和10 µM Y27632，然后加入1 ng/ml 激活素和 20 ng/ml FGF2。第三天，细胞接受1 ng / ml BMP4和10µM CHIR99021。 第五天，添加10 µM Y27632补充BMP4和CHIR99021。
到第九天，随着发育中的细胞成为中胚层,加入10 ng / ml激活素，3 ng / ml BMP4，3µM CHIR99021，0.1µM视黄酸和10µM Y27632。最后一个混合物在第11天包括1µM CHIR99021,5 ng / ml FGF9和10µM Y27632。
到第14天，处理过的细胞以球体的形式存在，表达Osr1、Wt1、Hox11、Pax2和Six2，这都是肾单位祖细胞的特征。
基于肾脏类器官的研究具有很大的理论和实践潜力，可以建立多种其他的方法来生成肾脏器官。
从hPSCs过渡到肾脏类器官的tips
除了实验的细节，还有一些小提示可以帮助确保从hPSCs到肾脏器官的顺利过渡:
- 生长因子需要保持新鲜以保证效价，
- hPSCs是非常敏感的，应该用移液器轻轻的吸取少量。
- 在冰上处理人工基底膜。基底膜基质在室温条件下会凝固，管子和吸管预先冰过以确保在转移过程中呈液体状态时，效果最好。
- 为了减少变异，每次实验hPSCs应该特别从冷冻库存中解冻，而不是用持续培养的细胞进行。
综上所述，在严格的分化条件下，人类多能干细胞能够组装成三维结构，表达标志物，显示肾细胞类型的细胞结构代表。这些肾脏组织的发展将有助于疾病建模，药物筛选，以及新型干细胞替代疗法对肾脏疾病的潜在发展。
