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为解决肛门直肠畸形（ARMs）机制不明及可移植尿路上皮组织匮乏问题，研究人员开展人类多能干细胞分化为尿路上皮类器官（HUOs）的研究。结果发现 WNT 信号可促进 HUOs 分化，其含多种细胞类型且反映胎儿尿路上皮组织。该研究提供体外模型，意义重大。
在生命科学和医学领域，肠道、直肠和尿路上皮的上皮组织都起源于确定性内胚层，尿路上皮更是与泌尿系统健康密切相关。然而，目前仍存在诸多难题。肛门直肠畸形（ARMs）作为一种常见的出生缺陷，每 5000 个新生儿中约有 1 例发病，但人们对其发病机制知之甚少。这主要是因为缺乏合适的体外研究模型，使得深入探究变得困难重重。同时，临床上对可移植尿路上皮组织的需求极为迫切。膀胱癌、间质性膀胱炎、膀胱外翻等疾病患者，常需进行膀胱替换手术，当前标准治疗方法是利用患者自身回肠或乙状结肠构建新膀胱，但该手术并发症发生率高达 27% 。此外，尿道损伤也会引发诸如阳痿、尿失禁等并发症。因此，从人类多能干细胞（hPSCs）中获取尿路上皮组织，成为解决这些问题的关键方向。
为了攻克这些难题，美国南卡罗来纳医科大学（Medical University of South Carolina）等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于探索将人类多能干细胞分化为尿路上皮类器官（HUOs）的方法，并揭示其中的调控机制。研究成果发表在《iScience》杂志上，为相关领域带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 RNA 测序（RNA-seq）技术，通过对不同样本进行 RNA 测序，分析基因表达情况，从而探究细胞的分化轨迹和组织的发育机制。单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术也发挥了重要作用，它能够在单细胞水平上解析细胞的异质性，鉴定出不同的细胞群体及其特征。免疫荧光染色技术则用于检测细胞和组织中特定蛋白的表达和定位，直观地展示细胞类型和组织架构。
在研究结果方面：
- HCO 培养物中存在尿路上皮样细胞类型：通过对 H1 胚胎干细胞（ESCs）来源的人类肠道类器官（HIOs）和人类结肠类器官（HCOs）进行 RNA-seq 分析，发现 HCO 培养物中存在尿路上皮转录本，且经单细胞 RNA-seq 分析，鉴定出 HCO 培养物中尿路上皮包含 7 种不同细胞群体，包括浅表细胞（S-cells）和基底角蛋白 5 表达细胞（K5-cells）等，这表明 HCO 培养物中存在多样的尿路上皮细胞类型，且这些细胞会经历成熟和分化过程。
- RNA-seq 分析揭示泄殖腔腹侧区域的模式和 WNT 信号增强：分析小鼠胚胎 e10.5 腹侧和背侧泄殖腔的 RNA-seq 数据，主成分分析（PCA）显示腹侧和背侧泄殖腔样本根据转录组特征聚为不同组。基因本体分析表明，腹侧泄殖腔中 WNT 信号显著富集，同时还鉴定出腹侧和背侧泄殖腔中差异表达的转录因子，如腹侧的 Trp63、GATA3，背侧的 Cdx2 等，这揭示了泄殖腔腹背侧存在不同的信号通路和转录因子调控模式。
- 人类后肠培养物中短暂 WNT 激活促进分化为尿路上皮类器官：利用 IPSC72.3 来源的类器官，在培养过程中分别添加 WNT 信号抑制剂 ICRT3 和激活剂 CHIR99021 进行处理。PCA 和基因本体分析结果显示，WNT 激活促进了尿路上皮类器官相关基因的表达，免疫染色结果表明 WNT 信号促进了人类后肠培养物向 TP63+尿路上皮祖细胞的分化，进而形成人类尿路上皮类器官（HUOs）。
- 短暂 WNT 激活的类器官维持腹侧身份并产生尿路上皮细胞类型：将 IPSC72.3 来源的类器官培养至 35 天，通过免疫荧光染色和 PCA 分析发现，WNT 激活的类器官分化为 GATA3+的 HUOs，其具有分层的过渡上皮结构，且转录组分析显示 HUOs 的基因表达特征与人类胎儿膀胱相似，这表明 WNT 信号稳定地促进了 HUOs 的生成，且 HUOs 能准确反映人类胎儿尿路上皮组织。
- HUOs 重现哺乳动物尿路上皮发育：研究发现 IPSC72.3 来源的 HUOs 在不同发育阶段呈现出与小鼠胚胎尿路上皮相似的细胞类型转变，如不同阶段 FOXA2、ISL1、P63、UPK2 等标记物的表达变化。35 天的 HUOs 具有完整的屏障功能，且包含多种尿路上皮细胞类型和间充质细胞，这表明 WNT 激活促进后肠培养物分化为尿路上皮祖细胞，这些祖细胞经历不同发育阶段，最终形成具有多种细胞群体的尿路上皮。
研究结论表明，WNT 信号通路在人类多能干细胞向尿路上皮类器官的分化过程中起着关键的促进作用。生成的 HUOs 包含多种发育阶段特异性的细胞类型，并且在结构和功能上模拟了早期哺乳动物尿路上皮的发育，为研究人类尿路上皮发育的调控机制提供了有力的体外模型。这一研究成果意义非凡，不仅有助于深入理解肛门直肠畸形等疾病的发病机制，还为开发基于干细胞的尿路上皮组织替代疗法提供了理论依据和实验基础，有望为相关疾病的治疗带来新的突破。同时，研究也存在一定局限性，如不确定 TP63+尿路上皮祖细胞是否直接由 CDX2+内胚层产生，以及对 HUOs 屏障完整性的检测存在技术挑战等，但这也为后续研究指明了方向 。
