2024年3月14日，第19個世界腎臟日。權威醫學期刊《柳葉刀》最新研究數據顯示，目前全球慢性腎臟病患病者超過8.5億人，我國慢性腎臟病患病率也已超過10%，然而，由于慢性腎臟病早期沒有明顯的癥狀，不易察覺，因此被稱為“沉默的殺手”。
近年來，隨著斑馬魚、類器官、基因編輯等技術的發展及相互結合、互為補充，它們為腎臟研究提供了更加接近真實腎臟的模型生物及體外模型，成為研究腎臟發育、疾病機制及藥物篩選的3大利器，為深入了解腎臟發育、腎小球疾病、急性腎損傷( AKI)、腎臟再生、多囊性腎病等疾病機制，為腎臟疾病的預防和治療提供了新的策略和方法，具有廣泛的應用前景和巨大的潛力。
01、斑馬魚在腎臟研究中的應用
近年來，斑馬魚作為一種新型的模式動物，其生理、發育、代謝與哺乳類動物高度相似，基因與人類基因同源性達87%，能可靠模擬和預測人類生理、病理過程，因此，其在腎臟研究中的應用日益廣泛。而將斑馬魚與基因編輯技術結合應用，又進一步推動著腎臟研究的進展，為腎臟疾病的預防、診斷和治療提供了全新的視角和可能性。其在腎臟研究中的應用進展主要包括以下幾個方面：
用于腎臟發育及再生機制研究
由于斑馬魚的腎臟具有再生能力，因此其已成為研究腎臟發育及再生機制的重要工具。通過修改斑馬魚基因來研究特定基因對腎臟發育與再生的影響，觀察斑馬魚腎臟發育及再生過程，揭示腎臟再生的關鍵分子和信號通路，不僅有助于了解腎臟發育、再生機制及疾病發生機理，還為開發新的腎臟疾病治療方法提供了重要的實驗模型與理論基礎。
研究對象：發現腎臟再生的“剎車”分子
2023年11月7日，陸軍軍醫大學劉赤研究員、趙景宏教授、黃英輝教授團隊在Nature Communications發表最新研究成果，該研究通過構建斑馬魚AKI模型，發現在斑馬魚腎小管近端特異表達的腦啡肽原（Proenkephalin-A），能劑量依賴性的抑制腎臟再生的啟動因子過氧化氫（H2O2）的產量，進而影響腎臟祖細胞間質上皮轉化的關鍵基因tcf21啟動子H3K4me3修飾的重塑，從而控制腎臟再生的強度以及終止；
研究人員又利用基因編輯技術構建了斑馬魚penka突變體，發現PENK-A表達缺失會加速腎臟再生，提示PENK-A對腎臟再生具有負調控作用。
來源：Chi Liu,Xiaoliang Liu,Zhongwei He,Proenkephalin-A secreted by renal proximal tubules functions as a brake in kidney regeneration.Nature Communications,2023.11
用于評價藥物的腎臟毒性
腎臟是人主要的排泄器官，也是藥物毒性累積并引發急性損傷的靶器官。作為優良的藥物腎臟毒性評價模型，斑馬魚具有諸多優勢，如繁殖速度快、高通量篩選、與人類腎臟高度相似等，不僅可以通過顯微或病理切片觀察是否形成腎包膜水腫等腎臟異常、評價腎臟損傷情況，也可以通過測定腎小球濾過率、觀察腎小管和腎單位的形態變化等，更準確地評估藥物的腎臟毒性，為藥物的安全性評價提供有力支持。
研究對象：藥物對斑馬魚腎臟毒性的作用機制
Gorgulho等人通過斑馬魚模型評價10%的慶大霉素、撲熱息痛和替諾福韋對腎臟的影響，結果顯示慶大霉素和撲熱息痛可以降低腎清除率，撲熱息痛和替諾福韋擴大近端小管，其腎毒性機制與線粒體改變有關，包括變形、線粒體腫脹、嵴斷裂和（或）基質顆粒丟失。
Hentschel等通過構建斑馬魚急性腎損傷模型評價藥物腎毒性，在50、72hpf的斑馬魚胚胎心臟靜脈竇內注射慶大霉素或順鉑引起嚴重的腎小管重吸收功能障礙；王雪等在利用轉基因斑馬魚研究馬兜鈴酸的腎毒性時，發現馬兜鈴酸經40～80μmol/L處理后，斑馬魚出現腎小球囊性膨脹、結構疏松、前腎管上皮細胞細胞排列松散、紊亂及管腔擴張樣改變等情況，經qPCR檢測發現20μmol/L馬兜鈴酸處理24h后nephrin蛋白（nephrin表達于腎小球足細胞，其與裂孔隔膜的形成相關）表達顯著降低，表明馬兜鈴酸誘發腎損傷的原因可能是腎小球足細胞的功能變化。
來源：李紅燕，謝 倩，王 成，李金秀，馬 榮，任敉宏，李 勇，王佳俊，陳 海，王 建． 斑馬魚在藥物毒理學評估中應用及機制的研究進展 [J]. 中草藥, 2021, 52(1): 278- 288.
用于急慢性腎病類藥物研發
斑馬魚可用于急慢性腎病類藥物研發，通過比較不同藥物對斑馬魚腎臟損傷的治療效果，篩選出具有最佳療效的藥物，也被用于篩選具有腎臟保護作用的藥物或具有輔助功效的功能性食品，有助于加速藥物或功能性食品研發進程，為臨床治療及消費者提供更多有效的選擇。
近年來，在腎臟疾病治療領域中涌現了多個具有腎臟保護的新型藥物，如鈉-葡萄糖協同轉運蛋白 2 抑制劑（SGLT-2i）、非奈利酮、布地奈德遲釋膠囊、血管緊張素腦啡肽酶抑制劑（ARNI）類藥物等。
研究人員通過在胚胎斑馬魚中給予馬兜鈴酸 (aristolochic acid, AA) ，確定了三種可減弱HF的化合物：絲裂原活化蛋白激酶1(MEK-1)、查耳酮衍生物C25和酚類化合物A11。另一項使用相同AA誘導HF模型的研究表明，使用恩格列凈（一種鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2（SGLT2）抑制劑）,可用于治療II型糖尿病和HF，減弱心臟形態變化，并降低ANP和BNP基因表達及胚胎斑馬魚的死亡率。
來源：Shi X, Verma S, Yun J, et al. Effect of empagliflozin on cardiac biomarkers in a zebrafish model of heart failure: clues to the EMPA-REG OUTCOME trial?[J]. Molecular & Cellular Biochemistry, 2017.
02、類器官在腎臟研究中的應用
近年來，隨著干細胞生物學及基因編輯等技術的進步，腎臟類器官的研究進展突飛猛進。通過體外培養產生的具有三維結構的微型腎臟模型，即“腎臟類器官”，不僅可以模擬腎臟的復雜結構和功能，構建疾病模型，從而研究腎臟腫瘤機制及治療方法，還可以用于藥物篩選、毒性測試，甚至可能最終應用于臨床移植。
用于腎臟發育和疾病機理研究
研究對象：探索建立高質量的腎臟收集管的類器官模型，使腎單元與收集管之間建立連接，助力實現從微型腎臟類器官模型向合成人工腎的飛躍。
2021年6月15日，美國南加州大學凱克醫學院博徳干細胞研究所李中偉團隊在Nature Communications雜志上發表最新研究成果。該研究首次報道了一種全新的三維培養方法，能夠以類器官的形式對人和小鼠的原代收集管祖細胞，或者由人類多能干細胞 (hPSC) 分化而來的收集管祖細胞進行體外培養、擴增、并最終誘導分化為成熟的收集管。該系統為利用干細胞合成人工腎提供了重要的集合管祖細胞作為元件；并結合基因編輯技術，該體外誘導的收集管類器官模型可廣泛應用于腎臟發育和疾病機理研究。
左圖：顯微鏡下的呈現分支狀的新型腎臟集合管類器官模型。右圖：新的腎臟集合管類器官模型能夠在體外模擬成體腎臟的集合管的兩類功能性細胞群：principal cell （紅色）和intercalated cell （綠色）。
作為結構和組成最復雜的器官，腎臟的損傷和相關疾病一直是困擾人類健康的重大問題。李中偉團隊的本項成果為研究腎臟的發育、疾病和再生提供了重要的類器官研究平臺。這一系統將極大的推動腎臟的發育生物學和病理學研究，并為進一步的體外人工合成腎臟提供了關鍵的原材料。
來源：http://doi.org/10.1038/s41467-021-23911-5
用于腎臟疾病藥物篩選
研究對象：利用人類腎臟類器官模擬了從內在修復到不完全修復的轉變，篩選發現具有治療腎臟疾病的藥物。
一直以來，以內在修復為特征的急性腎損傷到不完全修復和慢性損傷的轉變很難開展研究。2022年3月，麻省總醫院的Ryuji Morizane團隊在Science Translational Medicine上發表題為“Modeling injury and repair in kidney organoids reveals that homologous recombination governs tubular intrinsic repair”的文章，該研究利用人類腎臟類器官模擬了從內在修復到不完全修復的轉變。通過單次暴露于順鉑導致內在修復，保留了管狀結構和與同源定向修復相關的基因上調。然而，隨著順鉑反復暴露，FANCD2和RAD51重組酶被下調，導致修復不完全。
研究人員利用靶向藥物篩選確定了DNA連接酶IV抑制劑SCR7可通過增加FANCD2介導的修復，幫助改善類器官中慢性損傷的進展，這表明靶向FANCD2/RAD51途徑可能具有治療腎臟疾病的潛力，同時也進一步證明腎臟類器官在探究潛在療法中的重要作用。
用于罕見遺傳性腎病等研究
研究對象：RAAS 缺陷類器官揭示血管生成延遲可能是常染色體隱性腎小管發育不全的病因。
常染色體隱性腎小管發育不全（AR-RTD）是一種罕見、嚴重且常導致死亡的疾病，其特征是患者體內與腎素-血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）相關基因發生致病性變異，導致近曲小管（PT）完全缺失或嚴重減少。2023年4月，美國辛辛那提大學醫學院的一項最新研究發現，AR-RTD可能主要是由于血管生成延遲所致。這項研究通過使用誘導多能干細胞（iPSC）分化為腎類器官，并進行移植和血管化，探索AR-RTD中PT病理的可能機制，為深入了解AR-RTD的病因提供了新的線索，也為相關疾病的治療提供了新的思路。
來源：10.1038/s41467-023-43795-x.
用于腎臟藥物藥效及毒性評價
研究對象：構建一種可量化的基于人腎類器官的方法，應用于臨床前評估靶向人腎小球足細胞的藥物。
足細胞對腎臟過濾屏障至關重要，其損傷導致許多腎臟疾病，包括局灶性節段性腎小球硬化癥（FSGS），這是最常見的與CKD相關的組織病理學原因。GFB-887是一種新型的小分子藥物, 可靶向瞬時受體電位通道TRPC5，抑制其激活。2022年7月，Science Advances上發表了一篇題為《Transplanted organoids empower human preclinical assessment of drug candidate for the clinic》的最新研究成果。
在本研究中，研究人員開創了一種利用移植的人腎臟類器官進行動物體內PD研究的新方法。通過移植類器官來實現類器官的成熟和血管化，使藥物能夠以足夠高的濃度輸送到移植類器官的生物體內，并利用體外生長的類器官進行了環孢素A（臨床常用的腎臟病藥物）和GFB-887（TRPC5的新型小分子抑制劑）的藥效比較實驗，證明了人源類器官可用于臨床前PD研究。這種新方法是可重復，可量化的，其可靠性得到了充分驗證。
來源：10.1126/sciadv.abj5633
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