调控肾单位前体细胞分化生成具有成熟倾向的近端偏向性肾脏类器官

这篇研究通过模拟体内近端肾小管分化过程，利用瞬时PI3K抑制激活Notch信号通路，成功在人多能干细胞（iPSC）来源的肾脏类器官中诱导出高表达HNF4A的近端肾小管前体细胞。这些"近端偏向性（PB）"类器官不仅表现出溶质载体（OCT/OAT）等生理功能分子的表达，还能模拟顺铂肾毒性损伤中HAVCR1/KIM1+和SOX9+的损伤响应特征，为研究肾脏发育和疾病提供了新型人类模型。

　　

引言

近端肾小管作为肾脏重吸收功能的核心执行者，其损伤是终末期肾病的主要诱因。尽管人多能干细胞（iPSC）衍生的肾脏类器官为研究提供了平台，但现有模型存在近端肾单位分化不完全、功能分子表达不足等局限。本研究通过解析人类肾脏发育的时空特征，创新性地利用PI3K-Akt-Notch信号轴调控，成功构建了具有成熟倾向的近端偏向性（PB）肾脏类器官模型。

识别肾脏类器官的异常发育程序

单细胞转录组和免疫荧光分析揭示了类器官与体内发育的关键差异：在人类胚胎肾脏中，近端前体细胞经历JAG1⁺→HNF1B⁺→HNF4A⁺的严格时序激活，并伴随Notch信号动态变化。而类器官 nephron 则呈现异常的HNF1B⁺/JAG1⁺/WT1⁺三重阳性状态，且HNF4A依赖的300余个基因（如SLC22A8/OAT3、SLC5A8等）表达显著低于体内水平。这种转录缺陷可能源于类器官中近端-远端轴向模式建立的异常。

启动近端形成细胞状态

基于PI3K与Notch信号的拮抗关系，研究团队在类器官上皮化关键期（分化第10-12天）施加PI3K抑制剂LY294002。单细胞测序显示：处理组Notch靶基因HES1上调2.88倍，JAG1表达增加1.78倍，同时 nephron 前体标志物MEOX1下调。基因集富集分析证实Notch通路特异性激活而PI3K-Akt通路抑制。这种干预使类器官 nephron 从以足细胞分化为主转变为以上皮管状 fate 为主，HNF1B⁺细胞比例提升至70.8%，为后续HNF4A⁺细胞出现奠定基础。

富集功能性近端前体身份

延时分析显示PI3K抑制后的类器官呈现发育轨迹重塑：

1. 1.

   空间分布：HNF4A⁺结构从类器官外周扩展到中心区域

2. 2.

   分子特征：与毛细血管袢阶段（CLSN）nephron 相似，共表达HNF4A/HNF4G及LRP2/Megalin

3. 3.

   功能获得：有机阳离子转运体（OCT2/SLC22A2）和阴离子转运体（OAT1/SLC22A6）表达水平达到体内80%

4. 4.

   生理功能：通过活体成像证实LTL⁺管腔可选择性摄取荧光标记的白蛋白（2.92倍增加）和葡聚糖

模拟近端小管生理与损伤

当暴露于5μM顺铂时，PB类器官展现出与临床一致的损伤特征：

• •

  分子响应：HNF4A⁺细胞中HAVCR1/KIM1上调3.06倍，伴随γH2AX⁺DNA损伤（r=-0.67）

• •

  结构破坏：管腔连续性丧失2.82倍，顶-基底极性蛋白ATP1A1/LAMB1错位

• •

  修复异常：SOX9持续激活形成"ON-ON"状态，与小鼠模型中发现的 maladaptive repair 表型吻合

讨论

这项研究通过精确操控发育信号通路，首次在人类类器官中实现了近端肾小管的定向诱导。PB模型不仅填补了现有类器官在溶质转运功能方面的空白，其HNF4A⁺细胞对肾毒性的敏感响应更为药物筛选提供了理想平台。值得注意的是，该策略在iNPC来源类器官中的成功验证，说明其作用靶点确为 nephron 谱系细胞。未来通过引入流动培养或血管化等策略，有望进一步提升模型的生理相关性。这项工作为研究先天性肾小管疾病、药物肾毒性机制以及再生医学应用提供了重要工具。