用合成Wnt分泌组织器构建人类肾脏类器官

《SCIENCE》：Patterning human kidney organoids with synthetic Wnt-secreting organizers

　　

编辑总结

在体外创建功能性肾脏组织为治疗肾衰竭提供了理想的解决方案，但重现能够实现液体过滤并使其流入连接导管的复杂肾单位结构仍是一项艰巨挑战。Fausto等人通过在组织培养中重现肾单位形成过程中的关键信号机制，为解决这一难题迈出了重要一步。对发育中的人类肾脏肾单位进行单细胞RNA测序和空间转录组学分析后发现，这些肾单位会形成一个信号边界，而连接导管细胞则会在该边界处产生WNT形态发生素。利用经过改造的人类胚胎肾脏细胞制成的合成WNT分泌组织剂，有助于恢复发育中的类器官的正常空间结构。这项研究为更深入地理解组织模式形成以及器官的合成重建提供了可能。——L. Bryan Ray

结构化摘要

引言

类器官——由干细胞培育出的微型组织——能够再现器官发育的某些特征，但其结构往往是通过自我组织形成的，因此很难加以控制。因此，了解如何在类器官系统中实现空间模式化是一个重要课题。肾脏类器官就体现了这一局限性。与体内肾单位不同，体内的肾单位会形成长而分段的管状结构，使得过滤后的液体能够流入共同的集合系统，而类器官中的肾单位则表现出不同的模式化和方向性。这种空间组织的缺失限制了肾脏类器官形成有序的肾单位结构以及模拟正常肾单位功能的能力。

研究依据

在胚胎中，空间模式化通常是由被称为发育组织剂的局部信号中心来调控的。在肾脏中，肾单位是在正在发育且不断分支的集合导管旁边形成的，而模型生物的研究表明，这种上皮组织会释放局部信号，从而引导肾单位的极性和分段。在人类发育过程中，这种组织结构是如何形成的，以及哪些信号因素足以重现这种结构，目前尚不清楚。我们研究了人类肾脏发育过程中的这种组织结构，并测试了是否只需最少的局部WNT信号就能恢复类器官中肾单位模式化的空间控制。

研究结果

空间转录组学分析显示，新生的人类肾单位形成于集合导管中的一条边界附近，该边界上有两种WNT信号蛋白WNT11和WNT9B，它们分别标记着相邻的顶端区域和柄部区域。正在形成的肾单位在WNT9B表达的集合导管周围表现出不对称的基因表达。这一发现使我们能够确定一种从邻近到远端的轴向肾单位极性，这种极性在肾单位开始延长并同时形成近端-远端轴时就已经存在并且持续存在。与WNT9B区域相近的地方有更多的WNT响应基因，这表明在肾单位与集合导管之间的界面处存在局部WNT信号传导。我们测试了这种信号结构是否足以引导类器官的结构形成，于是设计了能够自我组装并分泌WNT的“合成组织剂”。当将这些合成组织剂放置在肾脏类器官旁边时，靠近组织剂的肾单位重新出现了局部WNT信号反应，获得了轴向极性，而且其管状结构的生长和分段也朝向信号源的方向发展。通过调节组织剂的输出，我们可以控制肾单位的结构，进而让肾单位在保持有序方向的同时形成多个分段。

结论

我们的研究结果将人类肾脏发育过程中的空间组织结构与可控制的体外工程化技术联系了起来。合成组织剂提供了一种模块化方法，无需重建整个集合导管谱系，即可恢复缺失的空间相互作用，从而补充那些旨在重建集合导管与肾单位之间细胞相互作用的研究方法。从更广泛的角度来看，结合体内空间映射与合成重建技术，可以找到一种通用方法，用于识别发育中组织中的组织结构，并将其重现出来以引导器官的形态发生。

在查看器中打开

WNT组织剂可控制肾单位的模式形成。

对发育中的人类肾脏进行空间转录组学分析后，发现在集合导管处存在一个由WNT11和WNT9B构成的边界，这一边界决定了从邻近到远端的极性，进而引导肾单位的形态发生。肾脏类器官缺乏这种空间组织剂，因此其结构呈现无序状态。引入可调节的合成WNT分泌组织剂后，可以恢复局部信号传导，打破对称性，引导肾单位的生长，并使类器官中的肾单位形成有序的结构。CD表示集合导管。

摘要

由人类干细胞培育出的微型器官，包括肾脏类器官，虽然能够再现某些组织发育的特征，但却缺乏可靠的空间模式化。在胚胎中，空间组织通常是由能够产生形态发生场的发育组织剂来建立的。然而，这种组织结构在肾脏发育过程中是如何发挥作用的，以及是否可以在体外重现，目前仍不清楚。通过对人类肾脏发育过程进行空间转录组学分析，我们发现新生肾单位会在一个由WNT11和WNT9B构成的信号边界旁边，形成从邻近到远端的极性边界。将经过设计的、能够分泌WNT的细胞组织剂引入肾脏类器官后，可以恢复这种组织结构，从而促进肾单位向远端分化，并引导肾单位的形态发生朝向信号源的方向发展，这一结果表明，可以通过合成方式重现发育过程中的信号结构，以此来控制组织的模式形成。