首次用CRISPR制备微型肾脏

　　

生物通报道：通过利用基因组编辑技术，现在科学家可以在实验室培养微型肾脏细胞器，在培养皿中重现人类肾脏病。

这一研究成果尚属首次，是通过干细胞生物学与领先的基因编辑技术相结合而实现的。相关研究结果发表在十月二十三日的《Nature Communications》，这项研究为肾病的个性化医疗，铺平了道路。延伸阅读：迄今为止最成功的肾脏替代制备。

迷你肾脏细胞器是由多能干细胞长成的。多能干细胞可以发展成为身体任何类型的器官。当用一种化学混合物处理这些干细胞时，它们会发育成类似于小型肾脏的结构。这些细胞器含有小管、过滤细胞和血管细胞。它们可运输化学物质，并以类似于人肾小管的方式响应有毒损伤。

波士顿布里格姆妇女医院的Benjamin Freedman带领了这项研究，他指出：“一个主要的悬而未决的问题是，我们是否可以用这项技术，在实验室的培养皿中重现人类的肾脏疾病。”他现在是华盛顿大学的医学副教授和华盛顿大学医学院研究员。

他说：“这个问题的答案，对于了解微型肾脏用于临床肾脏再生和药物发现的潜力，非常重要。”

为了再现人类的疾病，Freedman和他的同事们使用称为CRISPR的基因编辑技术。他们设计了微型肾脏，具有与两种常见肾脏疾病（多囊性肾病和肾小球肾炎）相关的遗传改变。

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这些细胞器表现出这些疾病的特点。那些具有多囊肾病基因突变的细胞器，形成了气球状、充满液体的囊袋，称为囊肿，来自于肾小管。具有podocalyxin基因（与肾小球肾炎相关）突变的细胞器，失去了过滤细胞之间的联系。

这项研究的资深作者Joseph Bonventre解释说：“一个单一的基因突变，可导致与人类疾病相关的肾脏结构变化，从而可以让我们更好地了解疾病，并作为模型来开发治疗性药物，来治疗这些疾病。”他是布里格姆妇女医院肾脏部门的主任，也是哈佛干细胞研究所的研究人员。

Freedman补充说：“这些基因工程的微型肾脏告诉我们，人类的疾病可归结为简单的组件，可以在培养皿中创建。这为我们提供了更快、更好的方法，来进行‘培养基临床试验’，以测试可能对人类起作用的药物和疗法。”

研究人员发现，基因匹配的、没有疾病相关突变的肾脏细胞器，没有表现出任何疾病的迹象。

Freedman解释说：“CRISPR可以用来纠正基因突变。我们的研究结果表明，利用CRISPR进行基因纠正，可能是一种有前景的治疗策略。”

在美国，肾脏病每年的费用大约是400亿美元。肾脏疾病影响全球约7亿人。1200万名患者患有多囊性肾病，有200万患者出现了肾衰竭。透析和肾脏移植——肾功能衰竭患者的唯一选择，可能会导致有害的副作用和较差的生活质量。

Freedman说：“由于这项新技术，我们现在可以按需地培育新的肾组织，它们与患者自己的身体是百分百免疫兼容的。”

他补充说：“我们已经表明，这些组织可以模拟正常和患病的肾脏，这些细胞器在移植后能在小鼠体内存活。接下来的问题是，这些细胞器在移植后是否可以执行肾脏的功能。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：

Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids
Abstract: Human-pluripotent-stem-cell-derived kidney cells (hPSC-KCs) have important potential for disease modelling and regeneration. Whether the hPSC-KCs can reconstitute tissue-specific phenotypes is currently unknown. Here we show that hPSC-KCs self-organize into kidney organoids that functionally recapitulate tissue-specific epithelial physiology, including disease phenotypes after genome editing. In three-dimensional cultures, epiblast-stage hPSCs form spheroids surrounding hollow, amniotic-like cavities. GSK3β inhibition differentiates spheroids into segmented, nephron-like kidney organoids containing cell populations with characteristics of proximal tubules, podocytes and endothelium. Tubules accumulate dextran and methotrexate transport cargoes, and express kidney injury molecule-1 after nephrotoxic chemical injury. CRISPR/Cas9 knockout of podocalyxin causes junctional organization defects in podocyte-like cells. Knockout of the polycystic kidney disease genes PKD1 or PKD2 induces cyst formation from kidney tubules. All of these functional phenotypes are distinct from effects in epiblast spheroids, indicating that they are tissue specific. Our findings establish a reproducible, versatile three-dimensional framework for human epithelial disease modelling and regenerative medicine applications.