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肾脏是人体非常重要的代谢器官，执行着过滤血液的作用，将一些不需要的废物以尿液的形式排出。肾小球是肾脏中基本的过滤单元，人工建造这种“肾小球”模型是一件非常有挑战的事情。来自哈佛大学的科学家们解决了这一挑战，他们率先在器官单芯片技术中，实现了第一个体外人类肾小球模型的工程化。研究发表在了《Nature Biomedical Engineering》上。
肾小球的独特过滤功能来自于独特的结构细胞。肾小球内有三种固有细胞：系膜细胞、内皮细胞、足细胞。足细胞（podocyte）是位于肾小球毛细血管基底膜外侧的脏层上皮细胞，因其胞浆在基底膜表面形成伪足样突起而得名。足细胞的长足突环绕着毛细血管，足突之间的裂孔膜是肾小球滤过的最后一道屏障，阻断蛋白质、红血球、血小板等大分子，允许小分子如水分、盐类及糖类以及其他类型的代谢废弃物通过，进一步形成尿液。
足细胞很容易被药物所损伤，因而对于以肾脏疾病为目标的研究来说，意义重大。想要建立一个肾小球的模型，深入探测其功能，或者用于进行药物的肾功能安全性评价，足细胞一个非常好的切入点。由于足细胞较为脆弱，在很长的时间里，科学家们一直试图通过干细胞来使这种足细胞能够工程化，但是，成熟的能够工程化的足细胞群此前一直难以获得。
来自哈佛大学威斯研究所（Harvard’s Wyss Institute）的Donald Ingber教授实现了这一突破，他的团队将人类诱导的多功能干细胞（iPS）分化成成熟的足细胞，有效率可以超过90%。成熟的工程化的足细胞是肾小球芯片的重要前提。最初，研究人员尝试用生物材料来促进细胞系的功能化，但是失败了。之后他们开始转变思路，不再是仅仅添加可溶性因子，而是将细胞外基质（ECM）的关键作用考虑在内，不仅如此，研究人员还考虑到了肾小球中的特殊环境，指导细胞和组织分化的机械力在其中也有重要的作用。
▲人类干细胞衍生的成熟足细胞的扫描电子显微照片（图片来源：哈佛大学威斯研究所）
研究的第一作者Samira Musah博士表示，“我们的方法不仅使用了指导胚胎肾发育的可溶性因子，而且通过细胞外基质组分对干细胞进行生长和分化，这些组分在肾小球血液分离的膜上和泌尿系统中也含有，我们更加密切的模仿足细胞被诱导和成熟的自然环境。”
▲微流体器官芯片装置（图片来源：《Nature Biomedical Engineering》）
研究人员成功在微流体控制芯片上诱导了这样的分化过程。这个微流体系统与活体肾小球的横截面很相似，它由光学透明的、柔性的聚合物材料组成。在芯片上两个相对应的微流体通道由一个多孔的、细胞外基质包被的膜所分隔，对应肾脏的肾小球基底膜。在膜所面对的一个通道中，研究人员培养了肾小球内皮细胞以模拟肾小球的微循环。在膜的另一侧通道内，iPS细胞培养代表了肾小球的尿室。在这里，iPS细胞被诱导成为一层成熟的足细胞，其延长的足突穿过膜孔并与对侧的内皮细胞相接触。研究人员没有选择传统的细胞培养方式，而是通过应用周期性循环吸，以每秒一次的频率，模拟真实肾小球由于心脏泵血而产生的律动变形，从而极高的模仿了真实的足细胞诱导环境，实现了非常好的成熟率。
▲微流体器官芯片装置膜一侧的iPS诱导的成熟足细胞的足突穿过膜与对侧肾小球内皮细胞相接触（图片来源：《Nature Biomedical Engineering》）
对于未来这一模型的应用潜力，研究的第一作者Samira Musah博士谈道：“我希望我们的发现和研究战略在未来的生物医学应用中，可以帮助工程师们开发更先进的人体器官模型。我为这个工作感到骄傲，因为它展现了在尝试对抗在生物学和医学复杂挑战的时候，多学科研究的强大力量。目前，我们正在运用这种方法来研究肾脏疾病的机制，创造替代动物模型用于治疗方案的开发。由于在许多肾脏疾病中肾小球足细胞已损坏或丧失，人类的iPS 来源的足细胞也有望用于相关疾病的细胞治疗和再生医学。”
这对于由于疾病和衰老导致肾脏问题的患者来说，是一个全新的希望。
参考资料：
[1] Instructing stem cells to help form ahuman kidney glomerulus-on-a-chip
[2] Mature induced-pluripotent-stem-cell-derivedhuman podocytes reconstitute kidney glomerular-capillary-wall function on achip
[3] Engineering human stem cells to modelthe kidney’s filtration barrier on a chip
