构建肾脏微环境图谱：推动组织工程肾脏模型向功能化迈进

《TRENDS IN Biotechnology》：How a kidney microenvironment atlas can advance kidney tissue engineering

为解决组织工程肾脏模型功能不完整、缺乏临床转化价值的问题，研究人员提出创建“肾脏微环境图谱”这一主题研究。该图谱将系统整合肾脏不同节段细胞外基质（ECM）的定量组成、力学特性及疾病相关动态变化数据，旨在为构建更具生理相关性的体外模型（如类器官、器官芯片）提供标准化指导，最终推动肾脏疾病建模、药物筛选及再生医学应用的发展。

　　

在生物医学研究领域，科学家们一直梦想着在实验室中重建人体器官，以用于疾病研究、药物测试甚至未来的移植。肾脏，这个负责过滤血液、维持体内平衡的重要器官，因其结构功能复杂，成为组织工程领域的重点挑战对象。过去十年，单细胞技术的飞跃让我们通过肾脏图谱精细揭示了小鼠和人类肾单位的复杂构造，细胞层面的认知已达到前所未有的高度。然而，一个令人困惑的悖论随之出现：尽管我们拥有了详尽的“细胞地图”，但当前最先进的体外肾脏模型，无论是自组装的肾脏类器官、精巧的肾脏芯片，还是3D生物打印组织，其功能依然不完整，结构也过于简化。它们就像拥有了正确砖块（细胞）却未能建成稳固大厦的建筑，在模拟复杂疾病和实现再生医学应用方面力不从心。

问题的关键究竟出在哪里？越来越多的证据指向一个长期被忽视的领域：细胞赖以生存的“家园”——细胞外基质（ECM）及其力学微环境。功能性组织绝非细胞的简单堆砌。肾脏中的每一个肾单位都置身于一个动态的微环境中，这个环境由特化的ECM网络塑造，并受剪切应力、刚度、流体压力等力学特性定义。这些因素共同指导着细胞的发育、分化和功能。遗憾的是，在肾脏组织工程中，ECM的组成和力学特性往往表征不清，甚至被当作次要因素。这种认知偏差深受生物学研究中长期以细胞为中心的理论范式影响，导致我们对肾脏“土壤”的了解远落后于对“种子”（细胞）的认识。

这种认知差距具体体现在几个关键方面。首先，现有关于肾脏ECM和力学性质的数据严重依赖动物模型（如啮齿类、猪），缺乏人类特异性、肾单位节段层面以及疾病相关的深入见解。物种间存在差异，例如猪肾ECM中发现的胶原IVα3-α6、胶原Vα1等在人类数据集中缺失，这提示人类肾脏ECM数据集可能不完整，也凸显了标准化研究协议的重要性。其次，当前知识对肾单位微环境的了解十分匮乏。ECM数据常被笼统地分为肾小球基底膜和肾小管基底膜，忽略了近端小管、远端小管、髓袢和集合管等不同节段在形状、ECM组成和功能上的显著差异。力学数据亦然，整个肾脏的刚度测量值（健康约2.4-5.7 kPa，疾病可达9.4-22.6 kPa）无法反映各节段基底膜的特性，后者仅有的数据来自1972年对兔小管的研究，显示杨氏模量高达500 kPa。再者，现有研究多为定性描述，缺乏ECM成分的绝对定量数据（如具体胶原亚型的浓度和比例），且力学值（如各节段剪切应力在0.3-20 dyne/cm2间波动）高度依赖于测量技术（如原子力显微镜AFM、剪切波弹性成像）。最后，对ECM在健康 versus 疾病状态下的动态重塑、其免疫调节功能以及细胞-ECM相互作用（如整合素介导的信号）的精确机制理解不足。

为了系统解决这些知识鸿沟，推动肾脏组织工程向临床应用迈进，研究人员在《TRENDS IN BIOTECHNOLOGY》上提出了一项雄心勃勃的倡议：构建一个综合性的“肾脏微环境图谱”。这并非一个单一实验的结果，而是对未来研究方向的战略性规划。该图谱旨在成为一个核心资源，详细阐述肾脏ECM组成、力学特性、疾病相关改变、种间差异以及测量方法。其核心内容包括：跨个体肾单位节段及其过渡区的ECM定性和定量表征；各节段内刚度、弹性、粘弹性等力学特性的全面概述；胎儿与成人、健康与疾病肾脏组织的比较分析；不同测量方法及其对结果的影响；以及种间差异分析。此外，图谱还应包含组织来源和特征的标准化信息，并最终以可持续的开放获取数据库形式呈现。

为了构建这一图谱，研究人员建议整合运用多种关键技术方法。这些方法侧重于对已有数据和未来研究进行系统整合与标准化分析，而非单一的湿实验。关键方法包括：

1. 1.
   空间组学技术：利用空间转录组学、蛋白质组学（如定量质谱成像MSI）和代谢组学，在保留组织空间结构的前提下，精确绘制ECM分子（如胶原、层粘连蛋白、纤连蛋白）在不同肾单位节段的分布、丰度及疾病特异性分子特征。样本来源可包括人类活检组织、手术残留组织（通过类似VitalTissue的倡议获取）以及不适合移植的器官。
2. 2.
   先进生物力学表征技术：应用原子力显微镜（AFM）进行纳米级压痕测量以获取局部刚度，利用磁共振弹性成像（MRE）和剪切波弹性成像进行无创整体组织力学评估，结合有限元建模模拟力学环境。
3. 3.
   高分辨率成像与组织处理：采用二次谐波成像（SHG）显微镜特异性可视化胶原等ECM成分，结合3D组织透明化和光片荧光显微镜技术，实现对全器官ECM结构的高分辨率成像和定量分析。
4. 4.
   数据科学与人工智能：利用机器学习算法对整合了空间组学、蛋白质组学和力学数据集的大型复杂数据进行模式识别、数据 harmonization 和预测建模，例如预测慢性肾脏病（CKD）中的ECM变化。
5. 5.
   标准化样本库与协议：通过多中心合作和生物样本库（Biobanking）共享罕见的人类肾脏样本（注明供体年龄、性别、健康状况），并建立组织处理、保存、ECM提取和测量的标准化操作程序（SOPs），以确保数据的可重复性和可比性。

构建肾脏微环境图谱的必要性

当前关于肾脏ECM力学性质的信息碎片化且不完整，阻碍了能够准确复现体内组织的工程化肾脏组织的制造。组织工程师难以获取集成且详细的数据来开发有效的标准化体外模型。肾脏微环境图谱将提供一个数据概览，帮助改进现有模型或开发更精确的新模型。

知识差距对组织工程肾脏模型的影响

对肾脏ECM和生物力学的深入理解将有益于肾脏芯片、类器官和管状体等复杂体外模型，以及模拟肾脏微环境的（无外源）生物材料的设计。当前模型在ECM替代物和力学性质的使用上存在显著差异，导致模型结果不一致、可重复性差，并限制了可靠比较。去细胞化ECM的成功应用凸显了使用类天然基质的重要性，也表明需要精确的ECM定量知识来用合成和天然生物材料准确复制天然结构环境。

从其他领域汲取经验

肾脏组织工程可以从其他对微环境有更深理解的领域（如血管组织工程）汲取经验。血管组织工程对ECM在血管生成、稳态和疾病中的行为有详细见解，并成功将力学线索（如非线性、各向异性、顺应性）纳入支架设计，从而开发出临床前组织工程血管移植物，模拟了天然血管的强度、弹性和细胞信号。这证明了ECM和力学知识对于构建功能性组织至关重要。

结论与展望

在理解肾脏细胞外基质（ECM）及其力学特性方面，与已充分表征的细胞组成相比，仍然存在巨大的知识差距。推动肾脏组织工程发展需要对这些特征 alongside 细胞数据进行系统表征。肾脏微环境图谱的创建将提供一个集中的、标准化的资源，用以识别和优先处理知识缺口，并指导开发更具生理准确性的肾脏模型。尽管当前的生物制造和生物材料方法尚无法完全复制肾脏微环境，但此类图谱将为克服这些限制提供路线图。协调努力以生成节段特异性的ECM和力学数据集，将其整合到公开可访问的数据库中，并应用于组织工程模型，将加速知识的增长、标准化和功能相关性。这些进展将为未来的临床应用铺平道路。

该研究的重要意义在于，它呼吁肾脏研究领域进行一次范式转变，从过度聚焦细胞成分转向系统表征微环境。通过构建肾脏微环境图谱，有望解决组织工程肾脏模型功能不全的核心瓶颈，显著提升其在疾病建模、药物毒性筛选中的预测价值，并最终加速肾脏再生医学的发展。这不仅是技术上的进步，更是研究思维上的重要革新。