肾类器官作为评估热应激诱导的急性肾损伤发病机制的新平台

《Bioengineering & Translational Medicine》：Kidney organoids as a novel platform to evaluate heat-stress-induced acute kidney injury pathogenesis

本研究利用人诱导多能干细胞（iPSCs）生成的肾类器官，建立热应激诱导急性肾损伤（AKI）模型。发现41℃处理导致类器官存活率下降、细胞骨架损伤、肾小管吸收功能抑制及胶原沉积。通过qRT-PCR和RNA测序发现，TIMP-2*IGFBP7在热应激12小时即显著升高，早于NGAL和KIM-1，提示其作为早期诊断生物标志物的潜力。代谢分析显示热应激抑制氧化磷酸化及ATP合成，促进糖酵解，组蛋白表达上调。该模型为AKI机制研究及早期诊断策略开发提供了工具。

　　这项研究聚焦于热应激导致的急性肾损伤（AKI）的机制探索与生物标志物识别，采用了一种创新性的方法——基于诱导多能干细胞（iPSC）的三维人类肾脏类器官模型。肾脏是人体调节体温和维持体内环境稳定的重要器官，面对极端高温时，其功能和结构可能会受到显著影响，从而引发一系列病理变化。随着全球气候变暖，高温事件的频率和强度持续上升，这使得对热应激引发的肾脏损伤机制的深入研究显得尤为重要。当前，研究AKI主要依赖动物模型和二维细胞培养体系，但这些方法存在一定的局限性，如物种差异、伦理问题以及无法全面反映肾脏复杂微环境等。因此，本研究引入了更接近人类生理结构的肾脏类器官模型，为理解热应激与肾脏损伤之间的关系提供了新的视角。

研究团队通过悬浮培养的方式，成功生成了具有类似人类肾脏结构的类器官，包括肾小球、分段的肾小管、间质细胞和内皮细胞。这些类器官在结构和功能上能够较好地模拟人体肾脏的生理状态，从而为研究提供了更可靠的基础。随后，研究人员将这些类器官暴露于不同的温度条件下，包括37°C、39°C和41°C，以评估高温对肾脏结构和功能的影响。结果显示，当暴露于41°C时，类器官的细胞活性随时间逐渐下降，出现了细胞骨架损伤、肾小管吸收功能障碍、细胞凋亡以及胶原沉积等现象。这表明，极端高温不仅对肾脏细胞造成直接的损伤，还可能通过复杂的细胞反应引发一系列病理变化。

在生物标志物方面，研究发现，暴露于极端高温的类器官中，一些与肾脏损伤相关的分子如TIMP-2*IGFBP7、NGAL和KIM-1的表达水平显著升高。值得注意的是，TIMP-2*IGFBP7在暴露后12小时就出现了显著上调，早于NGAL和KIM-1的峰值。这一发现提示TIMP-2*IGFBP7可能成为早期诊断热应激导致的AKI的潜在生物标志物。此外，通过分析新生RNA和稳态RNA的表达情况，研究人员发现高温导致了氧化磷酸化和ATP代谢的抑制，同时伴有组蛋白表达的上调。这些变化可能与热应激引起的肾脏损伤和病理过程密切相关，为理解高温对肾脏的影响提供了新的线索。

在分子机制方面，研究利用了RNA测序技术，深入分析了高温对肾脏类器官基因表达的影响。通过比较新生RNA和稳态RNA的变化，研究团队发现高温诱导了多个关键基因的表达差异，其中部分基因涉及细胞代谢、细胞结构和纤维化相关通路。例如，热应激显著抑制了与氧化磷酸化相关的基因表达，而同时增强了糖酵解相关的基因表达，这种代谢模式的改变可能与ATP水平的下降有关。此外，研究还发现某些与纤维化相关的基因如COL4A1、COL4A2、COL5A1、COL5A2、COL6A1、COL6A2和COL7A1在高温条件下显著上调，这与Masson染色结果中观察到的胶原沉积现象相吻合，进一步支持了高温可能通过促进胶原沉积导致肾脏纤维化的假设。

研究还通过蛋白质互作网络分析揭示了与热应激相关的基因模块，这些模块与细胞结构、代谢调控和炎症反应密切相关。例如，Cluster 4中的基因主要涉及线粒体功能和氧化呼吸，Cluster 5则与糖酵解和乳酸代谢相关。这些发现表明，高温可能通过影响线粒体功能和细胞代谢，从而导致细胞损伤和纤维化。此外，研究还关注了组蛋白的表达变化，这些组蛋白不仅在细胞损伤后释放，还可能在转录层面被调控，成为热应激引发的肾脏损伤的一部分。

为了进一步验证这些发现，研究人员还通过免疫组化和qPCR技术检测了与纤维化和缺氧相关的基因表达情况。结果表明，α-SMA的表达显著增加，这与成纤维细胞的激活和胶原沉积相关。同时，一些与缺氧相关的基因如HK2和PFKP的表达也显著上升，进一步支持了高温条件下肾脏细胞代谢的重新编程。这些结果不仅揭示了热应激对肾脏细胞功能的影响，还为未来开发针对热应激导致的肾脏损伤的诊断和治疗策略提供了新的思路。

尽管当前的研究成果具有重要意义，但该类器官模型仍存在一定的局限性。例如，目前的肾脏类器官在成熟度上仍不够理想，其分子和表型特征更接近胎儿肾脏，而非成年肾脏。此外，类器官中可能包含非肾脏来源的细胞，这在一定程度上影响了其生理相关性。然而，这些类器官仍然为研究热应激引发的肾脏损伤提供了一个高度可重复、实验效率高且减少对动物实验依赖的平台。未来，研究团队计划通过引入免疫细胞和血管内皮细胞，进一步提高该模型的生理相关性，使其更贴近真实的人体肾脏反应。

综上所述，本研究利用人类肾脏类器官模型，系统地探讨了热应激对肾脏的结构和功能影响，并揭示了其在分子和细胞层面的机制。这些发现不仅有助于理解高温对肾脏的损害过程，还为开发早期诊断工具和针对性治疗方案提供了重要的理论依据。此外，研究还强调了在高温环境下，肾脏细胞可能经历代谢重构、细胞凋亡、纤维化等复杂变化，这些变化可能是多种因素共同作用的结果。未来的研究应进一步优化类器官模型，提高其成熟度和生理相关性，以便更全面地揭示热应激与肾脏损伤之间的关系，为临床提供更有效的干预手段。