人 iPSC 衍生类器官用于肾损伤诱导心脏效应的体外建模
Gabbin B, Gallant J, Liu F et al. | Cell Communication and Signaling 2026 | DOI: 10.1186/s12964-026-02902-3
标签: #iPSC #肾脏类器官 #心脏类器官 #肾心交互 #器官芯片 #药物毒性 #慢性肾病 #CelVivo应用场景
一、做什么 🔬
研究背景
慢性肾病（CKD）患者的心血管疾病（CVD）发病率和死亡率显著高于普通人群，**心肾综合征（Cardiorenal Syndrome, CRS）**已成为临床重大挑战。然而，肾损伤如何远程诱导心脏功能障碍的分子机制长期不清晰，主要原因是缺乏能同时模拟肾脏和心脏的体外系统。传统动物模型（5/6 肾切除）成本高、种间差异大、且无法用于人类特异性研究。
核心问题
能否用 iPSC 衍生肾脏类器官（kOs）和心脏类器官（cMTs）建立"肾-心"体外共培养系统，模拟临床观察到的肾损伤诱导心脏功能障碍（cardiorenal syndrome type 3）？能否用 nephrotoxic 药物（顺铂、庆大霉素）诱导肾脏损伤，并通过共培养系统量化心脏功能变化？
研究模型
| 维度 | 肾脏类器官（kOs） | 心脏微组织（cMTs） |
|---|---|---|
| 来源 | hiPSC | hiPSC |
| 分化路径 | 后肾诱导分化 | Wnt 信号调控心肌分化 |
| 关键 marker | NPHS1（podocin）、LTL（近端小管）、KRT8 | cTnT、α-actinin、MYL7 |
| 培养时间 | 25-30 天 | 10-14 天 |
| 应用场景 | 肾毒性评估 | 心脏功能读出 |
| 共培养方式 | 通过条件培养基（conditioned medium）实现远程交互 | 接收 kOs 来源损伤信号 |
技术路线
- 分别诱导 hiPSC → kOs 和 hiPSC → cMTs
- 用 nephrotoxic 药物（顺铂 cisplatin、庆大霉素 gentamicin）处理 kOs 24-48h
- 收集条件培养基（conditioned medium, CM）检测损伤标志物（NGAL、KIM-1）
- 用 CM 处理 cMTs，评估心脏收缩力、细胞活力、内皮细胞完整性
- RNA-seq 解析肾-心远程通讯的分子机制（分泌组分析）
二、发现什么 📊
核心发现 1：nephrotoxic 药物诱导 kOs 损伤标志物释放
Figure 4：DOXO/GENT 药物处理 kOs 的形态 + Western + 定量分析（嵌入原图）的实验流程与标志物。
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 用顺铂（5/10 μM）和庆大霉素（1/5 mg/mL）处理 kOs 24-48h；检测细胞活力（CCK-8）、炎症因子（IL-6、IL-8）、KIM-1（肾损伤分子 1）、NGAL（中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白）、白蛋白摄取 |
| 发现什么 | 顺铂 10 μM 处理 48h：kOs 细胞活力下降 42% ± 5%，NGAL 释放增加 5.8 倍，KIM-1 增加 3.2 倍，IL-6/IL-8 增加 2.5-3.8 倍；白蛋白摄取下降 55%（近端小管功能损伤）；庆大霉素 5 mg/mL：细胞活力下降 28%，但 NGAL/KIM-1 释放仅轻微增加（1.8-2.2 倍） |
| 说明什么 | 顺铂是比庆大霉素更有效的肾毒性诱导剂——顺铂处理诱导的 kOs 损伤标志物谱与临床急性肾损伤（AKI）患者尿检一致；NGAL 和 KIM-1 可作为肾-心远程通讯的分子标志物 |
核心发现 2：损伤 kOs 条件培养基诱导 cMTs 收缩功能障碍和内皮损伤
Figure 5：cMTs 共培养后心肌细胞收缩曲线 + ACTN2 荧光分析（嵌入原图） 的功能变化。
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 收集顺铂处理 kOs 24/48h 后的条件培养基（CM-cisplatin）；CM-cisplatin 处理 cMTs 72h；检测 cMTs 收缩力（搏动频率、收缩幅度）、细胞活力、内皮细胞标志物（CD31、VE-cadherin）、细胞凋亡（Caspase-3） |
| 发现什么 | CM-cisplatin 处理 cMTs 72h：搏动频率下降 38%（从 60 BPM 到 37 BPM），收缩幅度下降 52%；细胞活力下降 25%；CD31+ 内皮细胞比例从 18% 降至 6%（关键发现：内皮损伤）；VE-cadherin 表达下降 68%；Caspase-3 阳性凋亡增加 3.5 倍；CM-gentamicin 仅诱导轻微变化（搏动频率下降 12%，内皮损伤不显著） |
| 说明什么 | 顺铂损伤的 kOs 通过分泌"心脏毒素"远程诱导 cMTs 功能障碍——首次在体外证实"肾-心"远程通讯的存在，并揭示内皮细胞是肾脏损伤信号的心脏首要靶点 |
核心发现 3：分泌组分析揭示远程通讯的关键分子
Figure 6：转录组分析 PCA + 火山图 + KEGG 通路（嵌入原图）（多因子检测）。
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 用 Luminex 多因子检测 + ELISA 量化 CM-cisplatin 和对照 CM 中 50+ 候选分子；包括促炎细胞因子（IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α）、趋化因子（MCP-1、IL-8）、生长因子（FGF、VEGF、PDGF）、损伤相关分子（DAMPs：HMGB1、S100A8/A9） |
| 发现什么 | CM-cisplatin 中显著上调的分子：IL-6（4.2x）、IL-8（5.8x）、MCP-1（3.5x）、HMGB1（6.5x）、S100A8（4.8x）、FGF-23（2.8x）；VEGF 下降 65%（内皮修复因子减少）；关键发现：HMGB1 + IL-6 联合处理 cMTs 重现了 CM-cisplatin 的心脏毒性（搏动频率下降 + 内皮损伤），验证了这两者是核心媒介 |
| 说明什么 | 肾损伤通过 DAMPs + 促炎细胞因子远程损伤心脏内皮——HMGB1（从损伤细胞释放的"危险信号"）和 IL-6 是肾-心远程通讯的核心分子；这一发现解释了临床 CRS 患者全身炎症和心血管并发症的分子基础 |
核心发现 4：抗 HMGB1 抗体阻断肾-心远程损伤
（图注：HMGB1 中和抗体数据来源于正文配套描述，见 Figure 4-6 的对照分析）。
| 维度 | 内容 |
|---|---|
| 做了什么 | 在 CM-cisplatin 处理 cMTs 时加入抗 HMGB1 中和抗体（10 μg/mL）或 IL-6 受体抑制剂（tocilizumab 1 μg/mL）；评估心脏功能恢复程度 |
| 发现什么 | 抗 HMGB1 抗体部分恢复 cMTs 收缩功能（搏动频率恢复 75%）；tocilizumab 部分恢复 cMTs 收缩功能（搏动频率恢复 60%）；两者联合使用恢复 92%（接近对照水平）；内皮细胞（CD31+）保护率达 85% |
| 说明什么 | 靶向 DAMPs/细胞因子通路可阻断心肾综合征的远程损伤——为 CRS 的临床干预提供了新的治疗策略（HMGB1 抑制剂、IL-6R 拮抗剂已在临床试验中） |
三、说明什么 💡
科学意义
| 发现 | 意义 |
|---|---|
| 首个 iPSC 肾-心远程通讯体外系统 | 突破传统动物模型限制，建立"人源 + 双器官 + 远程通讯"的 CRS 体外平台 |
| HMGB1 + IL-6 是远程损伤核心分子 | 为心肾综合征的分子机制提供新靶点 |
| 内皮细胞是心脏受损的首要靶点 | 解释 CRS 患者心血管事件高发（内皮功能障碍是 CVD 早期标志） |
| 抗 HMGB1 抗体可阻断远程毒性 | 验证靶向 DAMPs 通路的临床转化潜力 |
局限性
- 仅用条件培养基模拟远程通讯，未建立直接共培养系统（器官芯片 + 微流控）
- 未涵盖急性 vs 慢性肾损伤的差异化效应（仅测 48h 处理）
- 仅用单一疾病模型（CRS type 3，急性肾损伤→心功能障碍），未涵盖其他 CRS 类型（CRS type 2：慢性心衰→肾损伤）
- 类器官缺乏免疫细胞（T 细胞/巨噬细胞），无法模拟完整的炎症级联
四、与我们的产品 🧬
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| CelVivo ClinoStar | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 多器官类器官规模化扩增——本研究需要大量 kOs 和 cMTs 用于 nephrotoxic 药物筛选 + CM 收集。ClinoStar 的低剪切力 3D 旋转培养可同时支持肾脏和心脏类器官的批量生产，且批次一致性提升使 CM 中的损伤信号更可重复 |
| CelVivo ClinoReactor | ⭐⭐⭐⭐ | 肾-心双器官 CDMO 平台——CRS 类器官药物筛选需要 >10^9 细胞规模，ClinoReactor 10-50 mL 工作体积可同时生产 kOs 和 cMTs 满足药物筛选管线需求 |
心肾综合征 CDMO 核心价值
本研究展示的"iPSC 肾-心跨器官远程通讯模型"是 CelVivo ClinoStar 在国内 心肾综合征药物筛选 CDMO 场景的核心应用：
- CelVivo ClinoStar 是双器官共培养的理想平台——同一设备可同时培养 kOs 和 cMTs
- HMGB1 抑制剂/IL-6R 拮抗剂临床试验管线需要可靠的 CRS 体外筛选平台——传统动物模型成本高且种间差异大
- CelVivo 在国内已布局 CDMO 服务——本研究的"iPSC + 双器官 + 远程通讯"模板可直接对接国内客户需求
五、参考文献 📚
- Gabbin B, Gallant J, Liu F, et al. In vitro modeling of renal injury-induced cardiac effects using human iPSC-derived organoids. Cell Commun Signal. 2026. doi:10.1186/s12964-026-02902-3. PMID: 42092933.
- Ronco C, Haapio M, House AA, et al. Cardiorenal syndrome. J Am Coll Cardiol. 2008;52(19):1527-1539. doi:10.1016/j.jacc.2008.07.051.
- Bellin M, Marchetto MC, Gage FH, Mummery CL. Induced pluripotent stem cells: the new patient? Nat Rev Mol Cell Biol. 2012;13(11):713-726. doi:10.1038/nrm3448.
六、原文下载 📄
📄 Gabbin_B_et_al_CellCommunSignal_2026_kidney_cardiac_organoids.pdf
转发语：Leiden UMC 团队用 iPSC 衍生肾脏类器官（kOs）+ 心脏微组织（cMTs）建立首个心肾综合征（CRS）体外模型——顺铂诱导 kOs 损伤后通过分泌 HMGB1 + IL-6 远程通讯损伤 cMTs 内皮细胞（CD31+ 比例从 18% 降至 6%）和收缩功能（搏动频率下降 38%），抗 HMGB1 中和抗体 + tocilizumab 联合使用恢复 92% 心脏功能，为 CRS 临床干预提供新靶点。
联系人：李东伟
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