肾纤维化的体外和体内模型：迈向生理相关的人源化模型

2025-02-06 Thu
肾纤维化的机制与研究模型：迈向更接近人体生理的模型研究背景与问题陈述慢性肾脏病（Chronic Kidney Disease, CKD）是全球范围内的重大公共健康问题，据估计其影响了超过10%的人口，是导致死亡的主要原因之一。肾纤维化（kidney fibrosis）作为CKD的关键病理终点，对肾单位（nephrons）结构和功能造成破坏，但目前对其病理机制的理解尚不完全。多数针对肾纤维化的研究使用动物模型进行，这些模型尽管揭示了一些潜在机制，但由于其在生理、代谢和分子途径上无法完全模拟人体肾脏，导致在药物和疗法开发的跨物种转化研究中存在显著局限性。此外，传统的二维细胞培养模型尽管作为疾病研究和药物筛选的起点，但由于缺乏三维的高级肾脏生物架构和功能，也难以满足研究需求。这些因素催生了开发更高级的三维人源化体外模型的必要性。
论文来源这篇综述文章由Gabriele Addario、Lorenzo Moroni和Carlos Mota三位作者完成，他们隶属于荷兰马斯特里赫特大学（Maastricht University）的MERLN Institute for Technology-Inspired Regenerative Medicine。本论文于2025年发表于《Advanced Healthcare Materials》期刊。
研究内容与观点本论文为综述类型，综述了肾纤维化的病理生理学机制以及现有的研究模型，并对未来高仿人体生理的三维模型进行了展望。主要观点如下：
1. 泌尿系统与肾脏的复杂性作者首先从泌尿系统的解剖和生理功能入手，详细介绍了其复杂性。泌尿系统由肾脏、输尿管、膀胱和尿道组成。肾脏作为核心器官，通过其基本功能单位肾单位（nephrons），实现多种生理功能，包括滤过代谢废物、调节水盐酸碱平衡、调节血压和激素水平、以及维生素D活化与钙代谢。肾脏包括皮质和髓质，其间分布着百万级别的肾单位，每个肾单位由肾小体和肾小管组成。组织解剖的复杂性和细胞类型的多样性令肾脏尤其易受纤维化、癌症及糖尿病肾病等病理状态的影响。
支持研究背景的另一重要部分是细胞与细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的复杂交互作用。肾脏ECM主要由胶原蛋白、蛋白聚糖等组成，其动态环境为组织的形态发生提供了必要的物理化学和生物力学信号。一旦ECM的组成和结构发生变化，则可能导致纤维化这类病理状态。
2. 肾纤维化的病理机制肾纤维化是CKD的重要病理特征，呈现为ECM在组织中的过度增生与降解间失衡，导致肾单位的结构和功能不可逆损伤。论文详细讨论了纤维化的诱因与病理机制：
成纤维细胞的起源争议

成纤维细胞（fibroblast）被认为是ECM过度沉积的主要参与者。然而，对于其来源尚存争议。研究提出了多种可能性，包括内皮细胞通过内皮-间充质转化（EndMT）转变为成纤维细胞；肾小管上皮细胞在上皮-间充质转化（EMT）过程中参与纤维化进程；以及骨髓衍生的成纤维细胞。尽管仍需进一步研究，但这些机制有助于人们更深入了解纤维化形成的多样化途径。
病理信号网络

纤维化的发生高度依赖于转化生长因子-𝛽（Transforming Growth Factor-𝛽, TGF-𝛽）信号通路，该信号通路通过促进成纤维细胞活化和ECM合成发挥作用。此外，局部缺氧、蛋白尿和毒素暴露等刺激均可触发此类通路。
3. 肾纤维化的诊断与治疗现状当前的诊断方法主要包括非侵入性标志物（如肾小球滤过率和蛋白尿）检测及侵入性组织活检。然而，这些方法在疾病早期诊断中的准确性和灵敏度有限，且组织活检的侵入性会产生潜在风险。
在治疗方面，尚无针对肾纤维化的有效药物获批应用。论文提到了一些研究中的候选药物，如抑制TGF-𝛽信号通路的小分子（如Remdesivir和Pirfenidone），尽管某些药物在临床前试验中表现出抗纤维化作用，但药物在临床转化中的失败率高，急需更高级的药物筛选模型。
4. 现有模型的类型与局限性论文系统总结了2D体外模型、在体模型以及先进的3D模型，评估了各类模型的优缺点：
动物模型的应用与局限

小鼠与大鼠是主要的肾纤维化动物模型。它们在理解纤维化机制中功不可没，比如通过遗传修饰的小鼠模型揭示了TGF-𝛽信号通路的关键作用。然而，动物模型在人类生理和病理研究中的转化意义有限，特别是在蛋白质代谢与药物反应方面。此外，动物伦理和3Rs（替代、减少与优化）原则进一步推动了非动物模型的开发。
传统2D细胞培养模型

虽然2D细胞培养技术被广泛采用，但其无法重现肾脏复杂的三维架构与细胞互动，导致细胞的功能与分化状态与体内环境相去甚远。
先进3D模型的潜力

论文详细论述了几种创新的3D模型，包括球状体（spheroids）、类器官（organoids）、芯片模型（on-chip models）及生物制造技术（biofabrication）。类器官和管状体（tubuloids）虽然展示出早期肾单位的功能性，但在成熟度和复杂性上仍有欠缺。生物打印技术和微流控芯片等新兴工具为多细胞、动态灌流系统带来了期望，逐渐推近模型的生理高度还原。
5. 未来前景与重要意义论文最终强调了未来研究的方向，即通过多种技术的结合（如生物打印与微流控融合），逐步创建全器官样结构，以接近真实肾脏的解剖、生理及分子功能。这些高仿生模型有望克服传统模型的瓶颈，更深入地解析纤维化的分子机制，并加速高效抗纤维化疗法的转化。
科学意义：提供深入的机制认知，弥补动物模型局限。

应用价值：为疾病建模和药物开发提供切实替代工具。
这篇论文在综合评估现有研究模型局限的同时，强调了开发先进3D人体化体外模型的重要性。作者的系统性综述为肾纤维化研究提供了重要启示，同时展现了未来以技术集成推动肾脏疾病研究的巨大潜力。