近年来，研究人员在培养皿中创造了称为类器官的小器官，其中含有许多细胞类型和复杂的微结构，如人体器官，如肾脏，肝脏，肠道，甚至大脑。然而，体外培养的大多数类器官缺乏提供氧气和营养物所需的脉管系统，去除代谢废物，并促进不同细胞类型之间的通信，从而促进其成熟为真正功能性组织构建模块。
对于肾脏类器官，这一缺点使研究人员无法在体外模拟关键的肾功能，包括血液过滤，重吸收和尿液产生。创建强有力的血管化肾脏类器官可以更好地模拟肾脏疾病，增强肾脏药物毒性测试，并最终导致肾脏替代疗法的新构建块。
现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)，布莱根妇女医院以及由Jennifer Lewis和Ryuji Morizane领导的哈佛干细胞研究所的研究团队作为该研究所新的3D器官工程计划的一部分，我们开发了一种强有力的新方法。通过将干细胞衍生的类器官暴露于流体剪切应力，它们能够显着扩展器官来源的血管网络，并且与先前的静态培养方法相比改善肾隔室的成熟。这项工作发表在自然方法。
2015年，Ryuji Morizane和Joseph Bonventre开发了一种方法，使他们能够从人类多能干细胞中获得3D肾脏类器官。“虽然我们的类器官和其他实验室产生的类器官包含大量组织良好的肾单位和原始血管，但它们仍然缺乏具有可灌注腔的普遍血管腔，”共同通讯作者Morizane，医学博士，助理教授说。在布莱根妇女医院和哈佛医学院(HMS)，以及哈佛干细胞研究所的成员。
最近，世界各地的研究人员通过将肾脏类器官植入动物体内，使它们可以连接到宿主体内的脉管系统，从而使肾脏类器官成熟。“我们的研究首次表明，通过将生长的类器官暴露于流体流动，这是一种已知在体内组织发育中起重要作用的机械线索，我们可以大大增强其体外血管化和成熟，”Morizane说。
为了实现这一壮举，该团队利用了刘易斯实验室的专业知识，该实验室开创了创建血管化人体组织的策略，包括3D肾脏芯片模型，使用可以长时间灌注和持续的3D生物打印。基于这些发现，研究人员假设流体流动也可以促进从生长的肾脏类器官中发现的前体内皮细胞形成血管。
“我们确定了基础细胞外基质，培养基添加剂和流体剪切应力的正确组合，当人类干细胞衍生的类器官在我们的3D打印的流体芯片中生长时，它们会蓬勃发展，”Kimberly Homan博士说道。该研究的第一作者与Navin Gupta，MD Gupta补充说，“血管网络形成接近上皮结构，构建肾小球和管状隔室，反过来促进上皮成熟。这个综合过程非常像双向道路。“Homan是Wyss Institute和SEAS的刘易斯小组的研究员，而Gupta是Brigham的Morizane团队的临床研究员。
在3D打印芯片上生长的血管形成具有开放腔的互连网络，其可以通过直接成像通过它们自由移动的荧光珠来确认用流体灌注。“我们很高兴看到这些血管化的肾小球和肾小管结构通过肾单位在体内正常肾脏发育过程中经历的一些阶段发展，”Homan说。
“这一重要进展开辟了新的途径，可以准确检测体外分化肾单位区的药物毒性，并模拟肾病，如多囊肾病，以患者来源的干细胞为起点影响特定结构和细胞类型，”co说。 - 对应作者Lewis，Sc.D。，他是Wyss Institute的核心教员和3D Organ Engineering Initiative的联合负责人。“我们的方法可能为其他类型的类器官血管化铺平了道路，例如肝脏类器官。”Lewis也是SEAS生物启发工程的HansjörgWyss教授，也是哈佛干细胞研究所的成员。
“这项研究是一个很好的例子，说明了机械生物学的重要性以及Wyss研究所3D器官工程计划的潜在力量。它为许多旨在为研究，制药和组织再生应用创造功能性人体组织的努力提供了重要基石，“Wyss研究所创始主任Donald Ingber医学博士，博士，同时也是Judah Folkman教授。 HMS的血管生物学和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及SEAS的生物工程教授。
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