肾脏是人体内重要的器官之一，它的功能是过滤血液中的废物和多余的水分，维持体内的水盐平衡。然而，由于各种原因，如疾病、遗传因素等，肾脏功能受损或失去功能的情况时有发生。

目前，肾脏移植是治疗肾脏疾病的主要方法之一，但由于供体短缺和排异反应等问题，肾脏移植并不是所有患者的可行选择。因此，科学家们一直在探索肾脏组织工程和再生医学领域的研究，希望能够开发出一种新的治疗方法。 肾脏类器官是由人类多能干细胞衍生而来的，具有类似肾小球和肾小管的结构，但在静态培养条件下，其血管发育有限且不成熟。过去的研究依赖于动物移植来产生具有可灌注血管的肾脏类器官，但这种方法的可扩展性和转化性有限，特别是在体外应用方面。 

1. 发育中的肾类器官在血流下表现出增强的血管化

3D打印微流控芯片中类器官受到流体剪切应力（FSS）。通过将发育中的肾类器官放置在粘附的凝胶蛋白层上并加入1.5% FBS的基础类器官培养基混合过夜，并继续执行已发表的分化方案，观察到高FSS培养的类器官的PECAM1+血管面积比低FSS培养的血管面积增加了5倍，同时PECAM1+血管在高FSS下的连接密度和平均血管长度比在静态或低FSS下培养的血管增加了10倍，PECAM1转录物在高FSS下相对于对照上调了5倍。这表明FSS是促进肾类器官体外血管化的关键因素。 

2. 发育中的肾类器官在血流作用下形成可灌注血管

在肾脏发育过程中，血管的形成是通过血管发生和血管新生的综合作用产生的。具体来说，在体内发育的哺乳动物肾脏中，KDR+（FLK1）细胞作为内皮祖细胞（EPC）转化为中间MCAM+细胞，并最终转化为PECAM1+成熟内皮细胞。在高FSS条件下，EPC扩增率提高，PDGFR-β 在高流量下表达上调，表明FSS是扩张血管潜能的重要环境线索。同时，肾类器官内的血管系统逐渐进化并且呈现出多尺度血管形成的模式。实验验证证实了肾类器官内的血管具有可灌注性，并呈现出不同大小及谱系的脉管系统。

3. 小管上皮在流动条件下表现出更强的成熟性

在静态条件下，肾类器官显示出更有限的脉管系统，小管上皮通常表现出不成熟的基因表达谱，其形态与妊娠早期肾脏相似。动物实验发现，肾小管结构逐渐发生形态发生和基因表达谱的成熟，如极化、刷状边界的形成和体内纤毛的形成。相比于静态和未分化的hPSC，培养的小管上皮转运蛋白表达上调，表明功能潜力增强。增强的小管-血管结合有助于生长和成熟。此外，研究人员发现VEGF梯度在维持小管和血管小管相互作用方面发挥了重要作用。总而言之，体外液体培养类器官支持肾类器官小管上皮的成熟和形态发生，这可能是由于系间内皮-上皮的交流。

4. 体外肾小球血管化和成熟反映了体内发育的早期阶段

静态培养的肾类器官的肾小球结构大部分是无血管的，在动物移植中，宿主源性肾类器官血管化促进肾小球血管化。研究人员使用共聚焦成像技术量化了静态和高FSS条件下由MCAM1+PECAM1+血管结构侵入的PODXL+足细胞簇，发现高FSS下血管侵袭和包裹明显增加。研究人员推断，高FSS培养的类器官中VEGF-A表达显著上调，内源性VEGF上调似乎会产生梯度，使血管及时到达肾小球样腔室。此外，高FSS类器官肾小球与E14.5小鼠肾脏的结构相似。这些结果表明，高FSS培养的类器官表现出增强的肾小球血管化和足突成熟，这是促进足细胞体外功能形态发生所必需的。

在流动条件下培养肾类器官可以促进EPC的增殖和分化，从而形成更为成熟的细胞结构和血管网络。此外，在流动条件下培养的肾类器官中，细胞极性和成人基因表达的差异与静态对照组有所不同。在最后，研究人员还探究了破坏内源性VEGF梯度对血管与肾小球和肾小管区域的关联的影响。

参考文献：

Homan KA, Gupta N, Kroll KT, Kolesky DB, Skylar-Scott M, Miyoshi T, Mau D, Valerius MT, Ferrante T, Bonventre JV, Lewis JA, Morizane R. Flow-enhanced vascularization and maturation of kidney organoids in vitro. Nat Methods. 2019 Mar;16(3):255-262. doi: 10.1038/s41592-019-0325-y. Epub 2019 Feb 11. PMID: 30742039; PMCID: PMC6488032.”