南加州大学（USC）的研究人员结合生物学发现与工程技术突破，利用人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs）培养出了更贴近真实发育状态、重复性更高的肾类器官结构。研究团队通过绘制人类肾脏发育图谱，发现了一种此前未被识别的发育轴，该轴可调控肾脏的功能过滤单元——肾单位的组织排列。随后研究人员构建了分泌Wnt的合成组织者（synthetic organizer）细胞，在类器官中重现了该发育微环境的关键特征。
这一进展使得肾类器官可作为更可靠的模型用于疾病研究和候选疗法评估，同时也为长期研究目标——制备可移植肾组织提供了支撑。南加州大学凯克医学院干细胞生物学与再生医学助理教授Nils Lindström博士表示：“获得重复性良好的类器官模型至关重要，这类模型可衍生出稳健的细胞功能与疾病临床前模型，最终惠及患者。”Lindström是该团队发表在《科学》（Science）上的论文的共同通讯作者，论文题为《利用分泌Wnt的合成组织者对人类肾类器官进行模式建成》。研究人员在论文中指出：“本研究将人类肾脏发育过程中的空间组织几何特征与体外可控工程技术相关联。”
作者在文中写道：“干细胞来源的类器官已成为体外模拟器官发育、构建复杂组织结构的重要体系。”过去十年间，类器官研究主要依赖细胞的自组织能力形成类组织结构，通常是通过向整个类器官体系中添加广效性的化学物质与蛋白来诱导分化。研究团队补充道：“尽管这种自组织特性使得类器官可重现诸多发育程序，但也限制了对组织结构的实验调控，往往导致不同培养批次的类器官结构差异大，难以实现可重复性构建。因此，探索如何在类器官体系中实现空间模式建成的调控是该领域的重要挑战。”
在胚胎发育过程中，空间模式建成通常由局部信号中心（即发育组织者）调控。但肾脏发育过程中组织几何特征的调控机制，以及该过程能否在体外重现，此前仍不明确。
本研究中，研究团队将人类发育肾脏的空间转录组学技术与合成工程技术相结合。他们解释道：“我们绘制了人类发育肾脏的组织几何特征，并验证局部WNT信号这一极简诱导信号，是否能够恢复类器官中肾单位模式建成的空间调控能力。”
该项目首先开发了复制发育信号的工具。Morsut实验室的博士后研究员Fokion Glykofrydis博士构建了一种“合成组织者”细胞，该细胞可分泌Wnt蛋白，而空间转录组学及其他分析结果显示，该Wnt蛋白参与了肾脏发育过程中的空间模式建成。Lindström实验室的研究生Connor Fausto设计了实验，验证这种分泌Wnt的细胞对类器官肾单位的影响。
实验结果显示，合成组织者可启动器官形成必需的两个关键过程：调控细胞的命运决定，以及影响发育结构的形态。合成组织者作为局部靶向信号源，可在类器官内部分泌可控剂量的特定Wnt蛋白——这类蛋白是调控肾脏发育形态的核心信号分子。这一设计可创造出与天然肾脏发育高度相似的信号微环境，同时为研究人员提供了调控肾脏结构形成位置与方式的手段。
共同通讯作者Leonardo Morsut博士是凯克医学院及南加州大学维特比工程学院的干细胞生物学与再生医学、生物医学工程副教授，他表示：“我们的方法旨在调控自组织过程，与自组织机制协同作用，而非完全干预并推翻这一过程。”
Lindström原本预期Wnt会诱导肾单位细胞命运向能够与尿液引流系统建立连接的细胞类型转化。但令他意外的是，肾单位还会发生形态改变，向Wnt信号源的方向伸长，而这一现象在向整个类器官均匀施加信号时不会出现。与传统肾类器官的发育过程相比，这种向Wnt信号源伸长的特征与天然肾脏的发育过程更为相似。
Lindström表示：“单一的局部信号可同时介导两种效应：既调控细胞的命运分化，又物理性牵拉肾小管向信号源方向延伸。这是在均匀的信号化学浴处理中无法观察到的现象。”作者指出，将工程化的分泌WNT的细胞组织者引入肾类器官后，可恢复组织几何特征，“……促进远端肾单位分化偏向性，使肾单位形态发生朝向信号源定向，这表明可通过合成方式重构发育信号几何特征，从而调控组织模式建成。”
研究团队发现了一条此前未被识别的轴，即发育肾脏的自组织方向。发育生物学家长期以来已知肾单位存在经典的近-远端（proximal-distal, PD）轴，该轴从肾单位的血液过滤端延伸至尿液引流端。而新发现的轴的定义依据是肾单位各部分与集合管的距离——集合管是发育过程中引流尿液、释放Wnt信号的管状结构，其释放的信号可调控肾单位的形态形成及排列方向。
Lindström表示：“本研究发现了一条调控肾单位形态与形成过程的未知发育轴，在人类发育研究中能发现这类层面的新机制是非常难得的。”
绝大多数传统肾类器官仅包含肾单位，缺乏提供局部Wnt信号的集合管，因此不存在该发育轴，仅能以放射对称的模式自组织。通过绘制发育肾脏中不同位置的肾细胞对Wnt的响应特征，研究团队利用合成组织者在类器官中重现了该发育微环境，所得到的类器官结构既更贴近真实发育状态，重复性也更高。
研究人员总结道：“在类器官中引入可调的分泌WNT的合成组织者（synthetic organizers, SOs），可恢复经典WNT应答，促进远端肾单位分化偏向性，并引导肾单位形态发生朝向WNT信号源定向。”他们认为，综合研究结果“……表明体内观察到的空间几何特征可通过合成方式重构，从而调控早期肾单位模式建成与形态发生……合成组织者提供了一种模块化策略，无需重构整个集合管谱系即可恢复缺失的空间相互作用，可与重建集合管-肾单位细胞相互作用的方法形成互补。”
对Morsut而言，合成组织者是其实验室正在开发的多种调控组织形成的工具之一，也是他最看好的工具，因为它可在不过度干预的前提下高效引导发育过程。Morsut表示：“合成组织者只是一小团细胞，本身不参与组织结构的构建，但它们可产生强大的信号场，引导干细胞排列并赋予其发育方向。”
研究团队指出，合成组织者提供了一种模块化策略，可重新引入传统类器官培养中通常缺失的空间信号相互作用。“该方法应可广泛应用于其他发育过程依赖空间信号微环境调控的类器官体系，为发育生物学与组织结构理性工程化构建的交叉研究提供了框架。”
Morsut指出，细胞定向排列是胚胎发育过程中反复出现的自构建事件，本研究表明现在可在工程化场景中利用这一机制，引导发育过程向预期结果推进。“我每次做报告开场都会播放一段胚胎发育的视频，从单个细胞发育为完整个体，这是最接近魔法的生命过程。现在我们开启了调控这一‘魔法技术’来构建器官的可能性。本研究证明了这一策略的可行性，我非常期待其他研究人员在其他体系中拓展该方法的应用。”
专业注释
- 类器官：干细胞体外自组织形成的模拟天然器官的三维结构
- 空间转录组学：可保留组织空间位置信息的转录表达检测技术
- 近-远端轴：肾单位从滤过端到引流端的固有发育极性轴