多能干细胞体外诱导输尿管类器官的生成及其在发育与疾病模型中的应用

这项研究针对当前肾脏类器官缺乏功能性输尿管结构的关键瓶颈，通过模拟体内后期间中胚层(PIM)发育过程，首次建立了从小鼠和人多能干细胞(PSCs)诱导输尿管间质前体细胞(SPs)的体外方案。研究人员结合胚胎来源的输尿管上皮或诱导的输尿管芽(UBs)，成功重构出具有节律性收缩的多层输尿管结构，并利用TBX18缺陷模型揭示了该基因在输尿管发育中的关键作用。该成果为泌尿系统发育机制研究提供了新工具，并为构建具有尿液引流功能的完整肾脏类器官迈出重要一步。

　　

在肾脏发育研究领域，一个长期存在的关键瓶颈是：尽管近年来已实现从多能干细胞(PSCs)生成肾脏类器官，但这些类器官始终缺乏功能性输尿管结构。输尿管作为肾脏产生的尿液排出通道，其缺失严重阻碍了类器官在移植治疗中的应用前景。输尿管发育依赖于上皮与周围间质的精密互作，虽然输尿管上皮前体——输尿管芽(UBs)的诱导方案已有报道，但输尿管间质前体(SPs)的体外诱导一直未能突破。

来自日本熊本大学的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性成果。研究人员通过单细胞转录组分析揭示了输尿管SPs的分子特征，发现其源自后期间中胚层(PIM)，并依赖BMP4信号通路。基于这一发现，团队建立了从小鼠和人类诱导多能干细胞(iPSCs)高效诱导输尿管SPs的方案。当这些诱导的SPs与胚胎输尿管上皮或诱导的UBs结合时，成功重构出具有三层结构和节律性收缩的输尿管样组织。更引人注目的是，利用CRISPR-Cas9技术构建的TBX18突变人类iPSCs模型，成功模拟了人类输尿管发育障碍的表型。

研究采用了多项关键技术：单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析胚胎输尿管发育的分子特征；基于ROBO2/PDGFRA标记的流式分选技术分离后期间中胚层；建立空气-液体界面培养系统进行类器官重构；通过收缩强度定量分析和免疫荧光染色评估功能成熟度。所有实验均使用E9.5-E15.5阶段的小鼠胚胎组织作为参照，人类研究则采用201B7和RN7两种iPSC系。

【诱导输尿管SPs的方案优化】
通过scRNA-seq分析E11.5-E15.5小鼠肾脏/输尿管组织，首次明确了输尿管SPs(高表达Tbx18、Gata2、Foxf1等)与肾脏SPs的分子差异。谱系追踪证实输尿管SPs源自E9.5 Osr1+后期间中胚层，并发现BMP4可剂量依赖性地促进SPs向输尿管(腹侧)而非肾脏(背侧)命运分化。10 ng/ml BMP4处理使诱导细胞的基因表达谱最接近体内SPs。

【从小鼠ESC诱导输尿管SPs】
将小鼠ESC分化为ROBO2+/PDGFRA+后期间中胚层后，用BMP4替代原有方案中的BMP抑制剂LDN193189，成功获得高纯度(90.5% Tbx18+)的输尿管SPs。scRNA-seq显示诱导SPs与体内腹侧SPs高度相似，但部分细胞共表达内脏中胚层标志物(Gata4、Hand2)，提示方案仍有优化空间。

【输尿管结构的体外重构】
创新性地建立"细胞片层-上皮"共培养系统：将诱导的SPs与E12.5小鼠输尿管上皮在Matrigel中共同培养7天，形成具有三层上皮(UPK1B+/ΔNP63+/KRT5+)和三层间质(ALDH1A2+/ACTA2+/POSTN+)的管状结构。重构输尿管表现出与胚胎来源相当的节律性收缩(收缩强度0.72±0.03)，scRNA-seq证实其基因表达更接近出生后(P7)而非围产期输尿管。

【人类iPSC的应用与疾病建模】
将相同诱导方案应用于人类iPSCs，获得TBX18+ SPs。虽然人-鼠嵌合输尿管形态不如同源重构理想，但BMP4诱导组仍表现出显著收缩(强度0.58±0.05)。通过构建TBX18突变(1bp/2bp插入)人类iPSCs，发现突变SPs中腹侧标志物(GATA2、FOXF1)下调而背侧标志物(FOXD1、WT1)上调，重构的"输尿管"完全丧失收缩功能和分层结构，成功模拟人类TBX18突变相关的输尿管梗阻表型。

【全PSCs来源的输尿管类器官】
首次实现完全由小鼠ESC诱导的UBs和SPs构建球形输尿管类器官，其表现出节律性收缩(强度0.69±0.04)和部分分层结构。人类iPSC来源的类器官虽能形成球形结构，但收缩功能和分层不如小鼠模型完善，提示UBs与输尿管上皮存在生物学差异。

这项研究系统阐明了输尿管SPs的发育程序，建立了首个功能性输尿管类器官的诱导方案。其科学意义体现在三方面：为输尿管发育机制研究提供了可定制的体外模型；通过TBX18突变模型揭示了该基因在人类输尿管疾病中的作用机制；为最终构建具有尿液引流功能的完整肾脏类器官奠定了基础。特别值得注意的是，跨物种重构实验证实了间质-上皮互作机制在进化上的保守性，而人类iPSC模型则展现了其在个性化医疗中的潜在价值。未来研究需进一步优化人类UBs诱导方案，并探索如何将输尿管类器官与现有肾脏类器官进行功能整合。