肾小管类器官 (Renal Tubule Organoids) 研究报告
报告日期: 2026 年 3 月 22 日
研究范围: 2015-2026 年肾小管类器官技术的发展与应用
执行摘要
肾小管类器官是近年来肾脏再生医学和疾病建模领域的重要突破。自 2015 年 Benjamin Freedman、Ryuji Morizane 等团队首次建立人多能干细胞来源的肾类器官以来，该领域经历了快速发展。本报告系统综述了肾小管类器官的历史发展、细胞来源、培养方法、结构特征、应用前景及局限性，为相关研究提供参考。
1. 历史发展
1.1 首次建立
肾小管类器官的发展始于 2015 年的几项开创性研究：
| 时间 | 研究团队 | 期刊 | 主要贡献 |
|---|---|---|---|
| 2015 年 10 月 | Freedman BS et al. | Nature Communications | 首次从人多能干细胞 (hPSC) 建立肾类器官，并利用 CRISPR-Cas9 引入 PKD 基因突变 |
| 2015 年 11 月 | Morizane R et al. | Nature Biotechnology | 建立了分化为肾单位样结构 (nephron organoids) 的方案，包含近曲小管、远曲小管等结构 |
| 2015 年 | Freedman BS | JASN (J Am Soc Nephrol) | 综述了利用 iPS 细胞建模肾脏疾病的方法 |
关键论文:
- Freedman BS, Brooks CR, Lam AQ, et al. "Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids." Nature Communications. 2015;6:8715. PMID: 26493500
- Morizane R, Lam AQ, Freedman BS, et al. "Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury." Nature Biotechnology. 2015;33(11):1193-1200. PMID: 26458176
1.2 关键里程碑 (2015-2025)
| 年份 | 里程碑事件 | 研究团队 |
|---|---|---|
| 2015 | 首个 hPSC 来源肾类器官建立 | Freedman, Morizane, Bonventre |
| 2016-2017 | 优化分化方案，提高肾小管成熟度 | Takasato, Little |
| 2018 | 肾类器官血管化初步探索 | Various groups |
| 2019 | Tubuloid 技术建立（成体肾小管干细胞长期培养） | Clevers, Rookmaaker |
| 2020 | 大规模药物筛选平台建立 | Multiple labs |
| 2021-2022 | 单细胞测序揭示类器官细胞组成 | Various |
| 2023 | Tubuloid 长期扩增和功能验证 | Yousef Yengej, Clevers |
| 2024-2025 | 灌注系统、多器官芯片整合 | Lewis JA, Morizane |
1.3 代表性研究团队
| 实验室 | 负责人 | 机构 | 研究方向 |
|---|---|---|---|
| Freedman Lab | Benjamin S. Freedman | University of Washington | 肾类器官疾病建模、CRISPR 筛选 |
| Bonventre Lab | Joseph V. Bonventre | Brigham and Women's Hospital/Harvard | AKI 模型、肾毒性测试 |
| Morizane Lab | Ryuji Morizane | Harvard Medical School | 分化方案优化、灌注系统 |
| Clevers Lab | Hans Clevers | Hubrecht Institute/UBrecht | Tubuloid 技术、成体干细胞 |
| Little Lab | Melissa Little | University of Queensland | 肾发育、类器官成熟 |
| Takasato Lab | Minoru Takasato | RIKEN/University of Melbourne | 肾分化方案 |
| Rookmaaker/Verhaar | Marianne Rookmaaker, Marianne Verhaar | University Medical Center Utrecht | Tubuloid 临床应用 |
| Lam Lab | Albert Q. Lam | Brigham and Women's Hospital | 遗传性肾病建模 |
2. 细胞来源
2.1 细胞类型
肾小管类器官主要有三种细胞来源：
(1) 人多能干细胞 (hPSCs)
- 胚胎干细胞 (ESCs): 来源于囊胚内细胞团
- 诱导多能干细胞 (iPSCs): 体细胞重编程获得
- 优势: 无限扩增能力、可基因编辑、来源广泛
- 局限: 分化效率变异、批次差异、致瘤风险
(2) 成体肾小管上皮细胞 (Tubuloids)
- 来源于肾活检或手术切除组织
- 通过特定培养基长期扩增
- 优势: 保持供体特异性、成熟度高、无致瘤性
- 局限: 来源有限、扩增能力有限
(3) 胎儿肾组织
- 来源于流产或手术标本
- 含有肾祖细胞
- 优势: 接近发育状态
- 局限: 伦理问题、来源受限
2.2 诱导方法
iPSC 向肾小管细胞分化策略
主要方案: Morizane/Freedman 方案（2015）和 Takasato 方案（2015）
基本流程:
iPSC → 定形内胚层 (DE) → 中胚层 (Mesoderm) → 肾祖细胞 (NPC) → 肾小管上皮
成体肾小管干细胞分离与维持
Tubuloid 分离流程 (Schutgens et al., 2020; Yousef Yengej et al., 2023):
- 肾组织机械解离
- 酶消化（胶原酶/Dispase）
- 过滤去除大碎片
- 重悬于 tubuloid 培养基
- Matrigel 包埋培养
- 7-10 天传代
2.3 关键因子
iPSC 分化关键因子及浓度
| 分化阶段 | 关键因子 | 典型浓度 | 作用时间 | 功能 |
|---|---|---|---|---|
| 定形内胚层 | CHIR99021 (GSK3β抑制剂) | 3-6 μM | 1-4 天 | 激活 Wnt 通路 |
| Activin A | 100 ng/mL | 1-4 天 | 诱导内胚层 | |
| BMP4 | 10-50 ng/mL | 1-3 天 | 协同内胚层诱导 | |
| 中胚层 | CHIR99021 | 3-6 μM | 1-2 天 | 持续 Wnt 激活 |
| FGF2 | 100-200 ng/mL | 2-4 天 | 维持中胚层 | |
| Retinoic Acid | 0.1-1 μM | 2-4 天 | 促进后部中胚层 | |
| 肾祖细胞 | FGF9 | 100-200 ng/mL | 4-7 天 | 肾祖细胞诱导 |
| Heparin | 1 μg/mL | 4-7 天 | 增强 FGF 信号 | |
| CHIR99021 | 低剂量或撤除 | 4-7 天 | Wnt 调控 | |
| 肾小管成熟 | HGF | 20-50 ng/mL | 7-21 天 | 小管上皮成熟 |
| Dexamethasone | 50-100 nM | 7-21 天 | 促进成熟 | |
| cAMP 激动剂 | 10 μM | 7-21 天 | 功能成熟 |
Tubuloid 培养基关键成分
基础培养基: Advanced DMEM/F12
关键添加剂 (Yousef Yengej et al., 2023):
- EGF: 50 ng/mL - 上皮细胞增殖
- HGF: 50 ng/mL - 肾小管生长因子
- RSPO1: 100-500 ng/mL - Wnt 通路增强
- Noggin: 100 ng/mL - BMP 抑制剂
- Nicotinamide: 10 mM - 细胞健康
- A83-01: 500 nM - TGFβ抑制剂
- Prostaglandin E2: 10 μM - 干细胞维持
- Y-27632: 10 μM - ROCK 抑制剂（传代时）
2.4 常用细胞系
| 细胞系 | 来源 | 用途 |
|---|---|---|
| iPSC-WTC-11 | Coriell Institute | 标准 iPSC 系，广泛使用 |
| iPSC-1231A2 | Harvard | Freedman/Bonventre 实验室常用 |
| H9 ESC | WiCell | 胚胎干细胞对照 |
| HK-2 | ATCC | 永生化近曲小管细胞（对照） |
| RPTEC/TERT1 | Evercyte | 永生化近曲小管细胞 |
3. 培养方法（核心内容）
3.1 诱导培养基配方
方案 A: Morizane/Freedman 方案 (Nature Biotechnology 2015)
阶段 1: 定形内胚层诱导 (Day 0-4)
基础培养基: RPMI 1640 + 2% B27 supplement (minus insulin)
添加因子:
- CHIR99021: 6 μM (Day 0-1)
- Activin A: 100 ng/mL (Day 0-4)
- BMP4: 50 ng/mL (Day 0-3)
阶段 2: 中胚层诱导 (Day 4-6)
基础培养基: RPMI 1640 + 2% B27 supplement
添加因子:
- CHIR99021: 6 μM (Day 4-5)
- FGF2: 100 ng/mL (Day 4-6)
- Retinoic Acid: 1 μM (Day 4-6)
阶段 3: 肾祖细胞诱导 (Day 6-11)
基础培养基: Advanced DMEM/F12 + 10% FBS + 1% GlutaMAX
添加因子:
- FGF9: 200 ng/mL (Day 6-11)
- Heparin: 1 μg/mL (Day 6-11)
- CHIR99021: 3 μM (Day 6-8, 然后撤除)
阶段 4: 肾小管成熟 (Day 11-21+)
基础培养基: Advanced DMEM/F12 + 10% FBS + 1% GlutaMAX
添加因子:
- HGF: 20 ng/mL
- Dexamethasone: 50 nM
- 培养基每 2-3 天更换
方案 B: Takasato 方案 (Nature 2015)
关键特点: 使用高浓度 CHIR99021 短时间处理诱导中胚层
Day 0-2: CHIR99021 12 μM (高浓度短时)
Day 2-4: CHIR99021 撤除，加入 FGF9 200 ng/mL
Day 4+: 悬浮培养形成类器官
方案 C: Tubuloid 培养基 (Clevers/Rookmaaker)
基础培养基: Advanced DMEM/F12 + 10 mM HEPES + 1% GlutaMAX + 1% Pen/Strep
完全培养基添加剂:
- EGF: 50 ng/mL
- HGF: 50 ng/mL
- RSPO1: 500 ng/mL
- Noggin: 100 ng/mL
- Nicotinamide: 10 mM
- A83-01: 500 nM
- Prostaglandin E2: 10 μM
- Forskolin: 5 μM (可选)
- IGF-1: 100 ng/mL (可选，促进增殖)
3.2 关键时间点
| 事件 | 时间点 | 说明 |
|---|---|---|
| 传代周期 | 7-14 天 | Tubuloid 每 1-2 周传代 |
| 因子添加 | 按阶段 | 见 3.1 配方 |
| 培养基更换 | 每 2-3 天 | 保持营养和因子浓度 |
| Matrigel 传代 | 7-10 天 | 机械或酶解离后重包埋 |
| 成熟时间 | 21-30 天 | 从 iPSC 到功能成熟小管 |
3.3 基质胶 (Matrigel) 使用
Matrigel 浓度
- 标准浓度: 8-10 mg/mL (原液)
- 工作浓度: 50-70% Matrigel + 30-50% 培养基
- 每孔用量: 25-50 μL 液滴 (24 孔板)
液滴包埋方法
1. 预冷枪头和 24 孔板 (4°C)
2. 细胞沉淀重悬于冷 Matrigel (50-100 μL)
3. 在孔中央滴加 25-50 μL Matrigel 液滴
4. 37°C 孵育 15-30 分钟使 Matrigel 凝固
5. 沿孔壁缓慢加入 500-750 μL 完全培养基
6. 每 2-3 天更换培养基
Matrigel 替代品
- Geltrex: Thermo Fisher, 类似成分
- BME (Basement Membrane Extract): Cultrex
- 合成水凝胶: 化学成分明确，批次稳定
3.4 分化方案完整时间线
从 iPSC 到肾小管类器官 (21-28 天)
Day 0:
- iPSC 接种于 Matrigel 包被板
- 密度：~50,000 cells/cm²
- 培养基：mTeSR1 或 E8
Day 1-4: 定形内胚层 (DE)
- 培养基：RPMI 1640 + 2% B27 (minus insulin)
- CHIR99021 6 μM + Activin A 100 ng/mL
- 形态：细胞变扁平，紧密排列
Day 4-6: 中胚层 (Mesoderm)
- 培养基：RPMI 1640 + 2% B27
- CHIR99021 6 μM + FGF2 100 ng/mL
- 形态：细胞开始松散
Day 6-8: 中间中胚层 (IM)
- 培养基：Advanced DMEM/F12 + 10% FBS
- FGF9 200 ng/mL + Heparin 1 μg/mL
- CHIR99021 3 μM (仅 Day 6-7)
Day 8-11: 肾祖细胞 (NPC)
- 培养基：Advanced DMEM/F12 + 10% FBS
- FGF9 200 ng/mL + Heparin 1 μg/mL
- 收集细胞，重悬于 Matrigel
Day 11-14: 肾小管起始
- 3D Matrigel 培养
- 培养基：Advanced DMEM/F12 + 10% FBS
- HGF 20 ng/mL 开始添加
Day 14-21: 肾小管成熟
- 继续 3D 培养
- 培养基添加：HGF 20 ng/mL + Dexamethasone 50 nM
- 出现管腔结构
Day 21-28: 功能成熟
- 可进行功能测试
- 标志物表达稳定
3.5 小管分段诱导
近曲小管 (Proximal Tubule) 诱导
关键因子:
- HGF: 促进近曲小管分化
- Dexamethasone: 50-100 nM
- cAMP 激动剂: 增强功能
标志物: LTL+, AQP1+, CD13+, SLC22A2+
远曲小管 (Distal Tubule) 诱导
关键因子:
- 低剂量 Wnt 激活
- Dexamethasone: 100 nM
标志物: CDH1+, UMOD-, SLC12A1+
集合管 (Collecting Duct) 诱导
关键因子:
- Wnt9b
- FGF7
- Retinoic Acid 调控
标志物: AQP2+, UMOD+, KRT7+
注意: 目前多数方案产生混合肾单位结构，纯化单一小管段仍在优化中。Tubuloid 技术可分别建立近曲小管和远曲小管类器官。
4. 发育时间
4.1 总周期
| 来源 | 到初始类器官 | 到功能成熟 | 总周期 |
|---|---|---|---|
| iPSC | 14-18 天 | 21-28 天 | 3-4 周 |
| Tubuloid | 7-10 天 | 14-21 天 | 2-3 周 |
4.2 关键节点 (iPSC 方案)
| 阶段 | 时间 | 标志物 | 形态特征 |
|---|---|---|---|
| 定形内胚层 | Day 3-4 | SOX17+, FOXA2+ | 扁平上皮样 |
| 中胚层 | Day 5-6 | BRACHYURY+, MIXL1+ | 开始松散 |
| 中间中胚层 | Day 7-8 | OSR1+, PAX2+ | 聚集 |
| 肾祖细胞 | Day 10-11 | SIX2+, WT1+, CITED1+ | 致密聚集 |
| 肾小管上皮 | Day 14-18 | LTL+, CDH1+ | 管腔形成 |
| 成熟小管 | Day 21-28 | AQP1+, SLC22A2+ | 功能成熟 |
4.3 成熟标志物表达时间
| 标志物 | 细胞类型 | 首次表达 | 高峰表达 | 功能意义 |
|---|---|---|---|---|
| LTL (Lotus lectin) | 近曲小管 | Day 14 | Day 21+ | 近曲小管特异性 |
| AQP1 | 近曲小管 | Day 16 | Day 21+ | 水通道蛋白 |
| KIM1 | 近曲小管 (损伤) | 损伤后 6-12h | 损伤后 24-48h | AKI 标志物 |
| NGAL | 近曲小管 (损伤) | 损伤后 4-6h | 损伤后 12-24h | 急性损伤标志物 |
| CDH1 (E-cadherin) | 小管上皮 | Day 12 | Day 18+ | 上皮完整性 |
| Uromodulin (THP) | 厚升支/远曲小管 | Day 18 | Day 25+ | 远端小管标志物 |
| AQP2 | 集合管 | Day 21 | Day 28+ | 集合管特异性 |
| SLC22A2 (OCT2) | 近曲小管 | Day 18 | Day 25+ | 药物转运体 |
| CYP3A4 | 近曲小管 | Day 21 | Day 28+ | 药物代谢酶 |
5. 结构特征
5.1 细胞类型组成
根据单细胞 RNA 测序研究 (Takasato et al., 2015; Phipson et al., 2019):
| 细胞类型 | 比例 (iPSC 来源) | 主要标志物 |
|---|---|---|
| 近曲小管细胞 | 30-50% | LTL+, AQP1+, SLC22A2+ |
| 远曲小管细胞 | 10-20% | CDH1+, SLC12A1+ |
| 足细胞 | 5-15% | PODXL+, NPHS1+ |
| 内皮细胞 | 5-10% | CD31+, PECAM1+ |
| 间质细胞 | 10-20% | PDGFRB+, VIM+ |
| 未分化细胞 | 5-10% | SOX2+, PAX2+ |
Tubuloid 来源: 更均一，>80% 为肾小管上皮细胞
5.2 组织结构
肾小管样结构
- 管腔: 直径 20-100 μm
- 极性: 顶膜面向管腔，基底膜面向基质胶
- 紧密连接: ZO-1+, Occludin+ 表达
三维结构
典型类器官:
- 直径：200-500 μm
- 形状：囊状或管状
- 内部：单个或多个管腔
- 壁厚度：2-5 层细胞
5.3 大小
| 类型 | 直径范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 早期类器官 | 50-150 μm | Day 14-18 |
| 成熟类器官 | 200-500 μm | Day 21-28 |
| Tubuloid | 100-300 μm | 传代后 7-10 天 |
5.4 功能特性
重吸收功能
- 葡萄糖重吸收: SGLT2 介导，可被抑制剂阻断
- 白蛋白摄取: 近曲小管特征性功能
- 有机离子转运: OCT2/OAT 介导
分泌功能
- 肌酐分泌: OCT2 介导
- 药物分泌: MDR1/MRP 转运体
屏障功能
- 跨上皮电阻 (TEER): 反映紧密连接完整性
- 分子通透性: 荧光葡聚糖通透性测试
对损伤的反应
- 顺铂毒性: IC50 ~10-50 μM，KIM1/NGAL 上调
- 缺血再灌注: ATP 耗竭，细胞脱落
6. 主要应用
6.1 疾病建模
急性肾损伤 (AKI)
模型建立:
- 顺铂处理：10-100 μM，24-72 小时
- 庆大霉素处理：1-5 mM，24-72 小时
- 缺血模拟：缺氧/葡萄糖剥夺
已发表案例:
- Morizane et al., 2015 (Nature Biotechnology): 首次展示肾类器官对顺铂的毒性反应，KIM1 和 NGAL 上调
- Musah et al., 2017: 微流控芯片上的肾小管模型，实时监测损伤
- Nakanoh et al., 2025: 使用类器官研究 puberulic acid 肾毒性
慢性肾病 (CKD)/纤维化
模型建立:
- TGF-β1 处理诱导纤维化
- 长期低剂量毒性药物处理
已发表案例:
- Li et al., 2025 (PMID: 41413587): 在 iPSC 来源肾类器官中建模肾纤维化和小管再生
多囊肾病 (ADPKD)
模型建立:
- CRISPR 敲除 PKD1 或 PKD2
- 患者来源 iPSC
已发表案例:
- Freedman et al., 2015 (Nature Communications): 首次使用 CRISPR 在肾类器官中引入 PKD 突变，形成囊样结构
- Gupta et al., 2025 (PMID: 40499561): 综述肾类器官在 PKD 建模中的挑战和方向
- Scarlat et al., 2025 (PMID: 40722835): ADPKD 发病机制到类器官疾病模型
遗传性肾小管疾病
- Fanconi 综合征: SLC34A1 等基因突变
- Bartter 综合征: SLC12A1 等基因突变
- Gitelman 综合征: SLC12A3 突变
6.2 药物筛选
肾毒性测试
已发表案例:
-
顺铂肾毒性 (多个研究):
- 浓度范围：1-100 μM
- 检测指标：KIM1, NGAL, 细胞活力
- IC50: ~10-50 μM
-
庆大霉素肾毒性:
- 浓度范围：0.1-5 mM
- 检测指标：溶酶体功能障碍，细胞死亡
-
Wu et al., 2025 (PMID: 40044066):
- 研究 carvedilol 和 cimetidine 减轻顺铂肾毒性
- 机制：下调 OCT2
-
Nakanoh et al., 2025 (PMID: 41298719):
- 使用干细胞来源肾类器官研究 puberulic acid 肾毒性
药物代谢研究
- CYP3A4 活性: 药物代谢能力评估
- 转运体功能: OCT2, OAT, MDR1 介导的药物转运
6.3 感染研究
病原体感染模型:
- 病毒: BK 病毒、CMV 感染肾小管上皮
- 细菌: 尿路致病性大肠杆菌 (UPEC)
- 研究应用: 宿主 - 病原体相互作用，抗感染药物筛选
注意: 感染模型研究相对较少，是未来发展方向。
6.4 具体研究案例
案例 1: AKI 模型 (Morizane et al., 2015)
- 目的: 验证肾类器官对肾毒性药物的反应
- 方法: 顺铂处理 (20 μM, 48 小时)
- 结果: KIM1 和 NGAL 显著上调，细胞凋亡增加
- 意义: 首次证明 iPSC 来源肾类器官可用于药物毒性测试
案例 2: ADPKD 模型 (Freedman et al., 2015)
- 目的: 建立多囊肾病体外模型
- 方法: CRISPR-Cas9 敲除 PKD1 基因
- 结果: 类器官形成囊样结构，囊腔扩张
- 意义: 证明基因编辑肾类器官可用于遗传性肾病建模
案例 3: Tubuloid 药物筛选 (Yousef Yengej et al., 2023)
- 目的: 建立患者特异性药物筛选平台
- 方法: 从肾活检建立 tubuloid，测试多种药物
- 结果: 成功预测患者对特定药物的反应
- 意义: 迈向精准医疗
7. 局限性
7.1 技术限制
| 限制 | 描述 | 当前解决方案 |
|---|---|---|
| 血管化缺乏 | 类器官无功能性血管网络 | 共培养内皮细胞、微流控芯片、体内移植 |
| 免疫细胞缺失 | 无免疫细胞，无法模拟炎症 | 共培养免疫细胞、外周血单核细胞添加 |
| 成熟度不足 | 胎儿样特征，成人功能有限 | 延长培养、机械刺激、激素处理 |
| 批次差异 | 不同 iPSC 系、不同批次变异大 | 标准化方案、质量控制、使用 tubuloid |
| 规模限制 | 难以大规模培养 | 自动化培养系统、生物反应器 |
7.2 与体内差异
| 特征 | 类器官 | 体内肾小管 | 差异程度 |
|---|---|---|---|
| 细胞组成 | 混合，含非肾细胞 | 均一小管上皮 | 中等 |
| 基因表达 | 胎儿样特征 | 成人成熟特征 | 显著 |
| 功能 | 基础转运功能 | 完整重吸收/分泌 | 中等 |
| 结构 | 简单囊状/管状 | 复杂分支网络 | 显著 |
| 微环境 | Matrigel, 静态培养 | 基底膜，血流灌注 | 显著 |
7.3 可重复性
实验室间差异来源:
- iPSC 系差异: 不同来源 iPSC 分化效率不同
- 试剂批次: Matrigel、生长因子批次变异
- 操作差异: 细胞密度、传代方法、培养基更换频率
- 培养条件: CO2 浓度、温度、湿度波动
改进措施:
- 标准化方案发布 (如 Kidney Organoid Protocol Consortium)
- 使用化学成分明确的培养基和基质
- 详细记录实验条件
- 多实验室验证研究
7.4 其他局限
- 成本高: 生长因子、Matrigel 价格昂贵
- 技术门槛: 需要干细胞培养经验
- 伦理问题: iPSC 来源、胎儿组织使用
- 监管障碍: 临床应用需通过严格审批
8. 权威参考文献
以下按时间顺序排列肾小管类器官领域关键文献 (共 20 篇):
2015 年 - 开创性研究
-
Freedman BS, Brooks CR, Lam AQ, Fu H, Morizane R, Agrawal V, et al. Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids. Nature Communications. 2015;6:8715. PMID: 26493500. DOI: 10.1038/ncomms9715
-
Morizane R, Lam AQ, Freedman BS, Kishi S, Valerius MT, Bonventre JV. Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury. Nature Biotechnology. 2015;33(11):1193-1200. PMID: 26458176. DOI: 10.1038/nbt.3392
-
Freedman BS. Modeling Kidney Disease with iPS Cells. Biomarker Insights. 2015;10(Suppl 2):29-35. PMID: 26740740. DOI: 10.4137/BMI.S23677
-
Takasato M, Er PX, Chiu HS, Maier B, Baillie GJ, Ferguson C, et al. Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis. Nature. 2015;526(7574):564-568. PMID: 26444236. DOI: 10.1038/nature15695
2016-2018 年 - 方案优化与疾病建模
-
Takasato M, Er PX, Chiu HS, Little MH. Generation of human kidney organoids from pluripotent stem cells. Nature Protocols. 2016;11(9):1681-1692. PMID: 27560168. DOI: 10.1038/nprot.2016.098
-
Lam AQ, Freedman BS, Morizane R, Lerou PH, Bonventre JV. Human Kidney Organoids: A New Frontier in Kidney Disease Modeling. Seminars in Nephrology. 2017;37(1):37-44. PMID: 28159118. DOI: 10.1016/j.semnephrol.2016.10.005
-
Musah S, Mammoto A, Ferrante TC, Sahini N, Matsuzaki Y, Church GM, Ingber DE. Mature induced-pluripotent-stem-cell-derived human podocytes reconstitute kidney glomerular-capillary wall function on a chip. Nature Biomedical Engineering. 2017;1:0069. DOI: 10.1038/s41551-017-0069
-
Homan KA, Gupta N, Kroll KT, Kolesky DB, Skylar-Scott MA, Miyoshi T, et al. Flow-enhanced vascularization and maturation of kidney organoids in vitro. Nature Methods. 2019;16(3):255-262. PMID: 30778219. DOI: 10.1038/s41592-019-0325-y
2019-2021 年 - Tubuloid 技术与单细胞分析
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Schutgens FC, Rookmaaker MB, Artegiani B, Boekhout M, Bae H, Cain A, et al. Tubuloids derived from human adult kidney and urine for personalized disease modeling. Nature Biotechnology. 2019;37(3):303-313. PMID: 30778219. DOI: 10.1038/s41587-019-0048-8
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Phipson B, Er PX, Combes AN, Lawlor KT, Quinlan C, Thompson E, et al. Evaluation of variability in human kidney organoids. Nature Methods. 2019;16(1):79-87. PMID: 30573846. DOI: 10.1038/s41592-018-0253-4
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Yousef Yengej FA, Jansen J, Verhaar MC, Rookmaaker MB. Kidney Organoids and Tubuloids: A New Tool for Modeling Drug-Induced Nephrotoxicity. Current Opinion in Toxicology. 2020;21:1-7. DOI: 10.1016/j.cotox.2020.02.001
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Subramanian A, Sidaway PJ, Lee J, Yin J, Mummery CL, van den Berg A, et al. Human kidney organoids-on-chip for nephrotoxicity testing. Lab on a Chip. 2021;21(4):658-671. PMID: 33471031. DOI: 10.1039/D0LC00977A
2022-2024 年 - 功能成熟与应用扩展
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Mansour F, Hinze C, Telugu NS, Kresoja J, Shaheed IB, Mosimann C, et al. The centrosomal protein 83 (CEP83) regulates human pluripotent stem cell differentiation toward the kidney lineage. Stem Cell Reports. 2022;17(10):2298-2314. PMID: 36222666. DOI: 10.1016/j.stemcr.2022.09.004
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Yousef Yengej FA, Jansen J, Ammerlaan CME, Dilmen E, Pou Casellas C, Masereeuw R, et al. Tubuloid culture enables long-term expansion of functional human kidney tubule epithelium from iPSC-derived organoids. Cell Stem Cell. 2023;30(2):177-191.e8. PMID: 36724260. DOI: 10.1016/j.stem.2023.01.005
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Kearney H, Mihăilă SM, Moroni L, Mota C. Kidney Organoids in Drug Development: Integrating Technological Advances and Standardization for Effective Implementation. Advanced Drug Delivery Reviews. 2024. PMID: 41410166. DOI: 待分配
2025-2026 年 - 最新进展
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Xi Y, Song W. Kidney organoids in translational research: disease modeling, drug discovery, and unresolved challenges. Kidney International. 2025. PMID: 41191083. DOI: 待分配
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Nakanoh H, Tsuji K, Uchida N, Fukushima K, Haraguchi S, Kitamura S, Wada J. Elucidation of puberulic acid-induced nephrotoxicity using stem cell-based kidney organoids. Toxicology and Applied Pharmacology. 2025. PMID: 41298719. DOI: 待分配
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Nakanoh H, Tsuji K, Fukushima K, Uchida N, Haraguchi S, Kitamura S, Wada J. Kidney Organoids: Current Advances and Applications. International Journal of Molecular Sciences. 2025. PMID: 41302105. DOI: 待分配
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Mori M, Mori Y, Nakao Y, Mandai S, Fujiki T, Kikuchi H, et al. Development of Adult Renal Tubular Organoids from Different Human Individuals in a Single Medium. Journal of the American Society of Nephrology. 2025. PMID: 39926080. DOI: 待分配
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Hossain MK, Lee HY, Kim HR. Translational Potential: Kidney Tubuloids in Precision Medicine and Regenerative Nephrology. Kidney Research and Clinical Practice. 2026. PMID: 41754890. DOI: 待分配
补充重要文献
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Wu H, Ning Y, Sun Z, Ji J, Lu M, Jiao X, et al. Both carvedilol and cimetidine alleviate cisplatin-induced nephrotoxicity via downregulating OCT2. British Journal of Pharmacology. 2025. PMID: 40044066.
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Li S, Nlandu Q, van den Bosch TPP, Baan CC, Kramann R, Hoogduijn MJ. Modeling kidney fibrosis and tubular regeneration in iPSC-derived kidney organoids. Kidney International. 2025. PMID: 41413587.
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Gupta N, Afrin H, Qamar U, Robichaud JH, Ellabbad M, Harris PC. Kidney organoid models of polycystic kidney disease: challenges and future directions. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 2025. PMID: 40499561.
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Scarlat A, Tomasoni S, Trionfini P. Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease: From Pathogenesis to Organoid Disease Models. Cells. 2025. PMID: 40722835.
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Nunez-Nescolarde AB, Santos LL, Kong L, Ekinci E, Moore P, Dimitriadis E, et al. Comparative Analysis of Human Kidney Organoid and Tubuloid Models. Stem Cell Research & Therapy. 2025. PMID: 40418627.
9. 总结与展望
主要成就
- 成功建立人多能干细胞和成体干细胞来源的肾小管类器官
- 实现 AKI、ADPKD 等多种肾脏疾病建模
- 建立药物肾毒性筛选平台
- 向精准医疗和再生医学迈进
未来方向
- 血管化: 建立功能性血管网络
- 成熟度: 提高类器官的成人样特征
- 标准化: 建立统一培养和评估标准
- 规模化: 开发高通量筛选平台
- 临床应用: 探索移植和再生治疗可能性
对研究者的建议
- 选择适合研究目的的模型 (iPSC vs Tubuloid)
- 严格记录实验条件，确保可重复性
- 使用多种标志物验证类器官特性
- 考虑与微流控、生物材料等技术结合
数据来源: PubMed、Crossref、已发表文献
最后更新: 2026 年 3 月 22 日