現(xiàn)有的腎臟類器官模型大多依賴單一前體細(xì)胞群體，比如利用SIX2陽性的腎單位前體細(xì)胞（NPCs）生成腎單位，或通過尿管芽前體細(xì)胞（UPCs）發(fā)育出集合管網(wǎng)絡(luò)。雖然這些模型揭示了腎臟發(fā)育的局部過程，但由于缺乏不同前體細(xì)胞之間的相互作用，它們始終無法形成真正成熟的空間格局。李中偉團(tuán)隊抓住了一個關(guān)鍵：在胚胎發(fā)育中，腎臟的復(fù)雜結(jié)構(gòu)源自不同前體細(xì)胞群體的互作——NPCs生成腎單位，UPCs形成集合管，間質(zhì)祖細(xì)胞（IPCs）和血管祖細(xì)胞（VPC）則提供支持。研究者推測，只有將這些多種前體細(xì)胞以接近天然的方式匯聚，才能觸發(fā)真正的“自組裝”過程。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊提出了“腎臟組裝體”的概念。不同于傳統(tǒng)的類器官單一分化，組裝體通過將人類多能干細(xì)胞衍生的iNPCs與iUPCs在優(yōu)化的培養(yǎng)體系中共培養(yǎng)，誘導(dǎo)它們自發(fā)組織成具有空間分區(qū)的腎臟微型結(jié)構(gòu)。這種策略相當(dāng)于在培養(yǎng)皿中重現(xiàn)了胚胎腎臟發(fā)育的“對話邏輯”，讓細(xì)胞自己找到屬于它們的“位置”。

研究首先在小鼠體系中進(jìn)行驗證。通過改良的“v2培養(yǎng)基”，小鼠NPCs與UPCs能夠在三周左右的時間里自發(fā)形成包含約150個腎單位的三維結(jié)構(gòu)，即小鼠KPA（mKPA）。所有腎單位不僅展現(xiàn)出近曲小管、亨利袢、遠(yuǎn)曲小管等分段特征，還能與中央集合管網(wǎng)絡(luò)相連，形成類似天然腎臟的連續(xù)管道。尤其值得注意的是，類器官中展現(xiàn)出了典型的維生素D代謝、促紅細(xì)胞生成素分泌等內(nèi)分泌功能，這些都是此前人類腎臟類器官無法實現(xiàn)的生理特征。

圖 ：由可擴(kuò)展的 NPC 和 UPC 組裝成 小鼠KPA（mKPA）

在人類體系中，研究團(tuán)隊進(jìn)一步建立了“v3培養(yǎng)基”（在v2基礎(chǔ)上縮短了FGF9的處理時間，并添加了激素氫化可的松21-半琥珀酸酯(HCHS)和A83-01），并在其中成功組裝了空間模式化的人源腎臟組裝體（hKPAs）。這些hKPAs同樣形成了極化的腎泡，逐步分化為分節(jié)的腎單位，并與中央集合管對接。此外，尤其值得注意的是，該培養(yǎng)方案具有高度可重復(fù)性，在多個iPSC系中均能建立。

圖：iNPC 和 iUPC 的空間模式化 hKPA 組裝

圖：mKPAs 的單細(xì)胞多組學(xué)分析

相比傳統(tǒng)類器官，KPAs不僅包含集合管細(xì)胞類型，還在代謝通路上表現(xiàn)出更強的氧化磷酸化能力，提示能量代謝向成熟腎小管靠攏。移植到小鼠體內(nèi)后，hKPAs表現(xiàn)出進(jìn)一步的成熟，形成了人源性血管、間質(zhì)和腎小球結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了真正的灌注和濾過功能。

圖：體內(nèi)移植后功能性hKPA的生成

這種成熟度的提升帶來了關(guān)鍵意義：它不僅僅是“結(jié)構(gòu)像”，更是“功能像”。過去的腎臟類器官常被詬病停留在胚胎早期，無法模擬成人期疾病。而KPAs在體內(nèi)環(huán)境中展現(xiàn)的功能，使其成為一個能夠跨越“發(fā)育—疾病—再生”全鏈條的研究平臺。

為了驗證平臺的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊選擇了最常見的遺傳性腎病——常染色體顯性多囊腎病（ADPKD）。結(jié)果顯示，基因編輯后（PKD2^-/- hKPAs）的組裝體不僅在兩個月內(nèi)生長至接近宿主腎臟的體積，還出現(xiàn)了典型的囊性結(jié)構(gòu)，囊液中肌酐和尿素濃度顯著升高，與患者表現(xiàn)高度一致。更重要的是，PKD2^-/- hKPAs中觀察到囊上皮極性的喪失、周圍基質(zhì)細(xì)胞的纖維化以及巨噬細(xì)胞浸潤，這些復(fù)雜的細(xì)胞間互作是現(xiàn)有體外類器官模型完全無法再現(xiàn)的。

單細(xì)胞測序進(jìn)一步揭示了PKD2^-/- hKPAs中關(guān)鍵致病通路的激活，包括cAMP、PI3K/AKT、mTOR以及Wnt信號，同時氧化磷酸化水平顯著下降。這些分子特征與患者樣本高度吻合，為闡釋疾病機(jī)制和尋找潛在靶點提供了窗口。

圖：人類 ADPKD 與PKD2^−/− hKPA的高保真體內(nèi)模型