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雙光子聚合3D打印推動微流控技術推動腎臟類器官模型發展
西班牙巴塞羅那科學技術研究所 (BIST) 的 Nuria Montserrat 和 Elena Garreta 團隊在Current Opinion in Cell Biology上發表相關論文，討論了腎臟發育研究如何為從人類多能干細胞 (hPSCs) 獲得腎臟類器官的程序定義提供信息。利用 hPSCs 的內在能力，使其在腎臟誘導信號的響應下自我組織，再加上器官型三維 (3D) 培養條件的應用，已經產生了生成腎臟類器官的程序，現在被認為是疾病建模、藥物篩選、藥物發現和個性化醫療的強大工具。
隨著 hPSCs-類器官技術為生物醫學和組織工程領域的研究開辟了新的前景，與其有限的成熟度和壽命相關的幾個缺點仍然阻礙了這些體外模型在疾病建模和再生應用中的充分實現。
通常，描述 hPSCs-腎臟類器官生成的方法利用了一種逐步的方法，其中首先將 hPSCs 在 7 到 10 天內提交到 IM 樣細胞，然后進入 NPCs，然后暴露于 3D 培養條件下，支持在總共 16 到 30 天的分化時間內形成具有腎單位樣結構的自我組織類器官。
重要的是，這種單一的上皮化誘導不同于體內腎臟形成的過程，最近的研究描述，在體內腎臟形成過程中，處于不同分化階段的細胞共存于器官內。
該領域專家提出的另一個重要考慮因素是，迄今為止開發的大多數程序可能更好地模擬中腎而不是后腎腎發生，這可能導致由此產生的腎單位樣結構內模式和成熟度較差。除了生化信號傳導外，細胞產生和感知的機械力在引導胚胎發育、組織模式和形態發生方面也起著基本作用。如何在體外控制這些機械和化學梯度來引導自組織腎臟類器官，以及這將如何影響細胞命運決定和功能，是開發下一代腎臟類器官模型時面臨的當前挑戰。
在這方面，最近的 hPSCs-腎臟類器官法結合了生物材料、生物反應器或 3D 生物打印方法的使用，以提供可以改善類器官分化、生長和長期培養的物理線索。
指導腎臟類器官自組織的另一種方法是使用微孔系統來促進高度均勻的細胞聚集體的生成。重要的是，細胞可以感知地形線索，這些線索調節細胞形狀、細胞相互作用和細胞施加的力，進而介導細胞增殖和分化的變化。未來，利用軟水凝膠和粘彈性材料來設計與腎臟組織相關的形態，以增強 hPSCs 分化為腎臟類器官，也將是一件有趣的事情。
在過去的幾年中，微加工和 3D 打印技術已被應用于設計新的毫米和微米級設備，允許在動態條件下進行細胞培養和 hPSCs 衍生類器官培養的維護，包括芯片上的肝臟、芯片上的心臟、芯片上的視網膜和芯片上的腎臟等。
目前的腎臟類器官模型已經證明了它們作為藥物誘導毒性篩選的體外平臺的實用性，在腎小管和腎小球結構中都表現出特定的損傷反應。
hPSCs-腎臟類器官已成為模擬各種腎臟疾病相關表型的非常有用的平臺。Grebenyuk和他的同事們利用Nanoscribe雙光子3D打印系統構建了一個微流體裝置，并用定制的水凝膠展示了合成毛細管樣血管的生成，并成功地長期灌注神經、肝臟和腦類器官，其中神經組織表現出增強的分化。
該設計包括一個可灌注的網格，網格內有由水凝膠制成的毛細管狀管，允許在芯片內擴散，芯片連接到一個循環細胞培養基的泵上。這是第一個展示構建可長期存活的大型新生組織的研究。
總的來說，該平臺解決了缺乏大型可行的工程組織結構的主要問題，可以作為藥物開發和疾病建模的有前途的工具。
在未來幾年內，預計我們對人類腎臟發育的理解將有助于從外部控制 hPSCs-腎臟類器官的生成。為此，有必要正確識別促進可擴展 hPSCs-CM 樣細胞生成的細胞培養條件，并測試這些細胞的腎分化潛能。
單細胞 RNA 測序 (scRNAseq) 和成像技術相結合，研究妊娠 14 至 17 周的人體腎臟樣本，為了解人類腎發生程序提供了新的見解。在這項研究中，作者將轉錄組數據與發育中的腎單位形態學聯系起來，并可以預測細胞類型特異性功能基因網絡。目前的 hPSCs-腎臟類器官模型已顯示可自主重現腎單位模式事件，并響應腎單位上皮化和模式形成過程中的關鍵信號通路，例如 Wnt/β-catenin 和 Notch 信號通路。hPSCs-腎臟和 hPSCs-UB 類器官模型都已開始顯示出其作為人類模型系統研究和破譯基因在人類腎臟發育和疾病中的確切作用的潛力。
利用微工程設備的類器官生理環境的應用是利用類器官分化和疾病建模的另一種強大策略。迄今為止，大多數源自 hPSCs 的腎臟類器官芯片模型已用于藥物發現和個性化醫療應用。
希望未來幾年對于開發具有更高成熟度和可重復性的新型 hPSCs-腎臟類器官平臺至關重要。生物工程方法的應用將使我們能夠提高監測和控制細胞自組織、組織模式和分化的能力，從而生成具有更高細胞和功能復雜性的腎臟類器官模型，同時確保高重現性。所有這些進步，連同目前在生成新的器官芯片系統方面所做的努力，這些系統允許細胞控制暴露于生化和生物物理信號，以及重現多器官相互作用的可能性，將對使用 hiPSC 衍生的腎臟類器官從實驗室過渡到臨床產生重大影響。
相關文獻及圖片出處
doi.org/10.1016/j.ceb.2023.102306
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