体外区域性生物支架诱导iPSC构建肾样组织的机制研究

Kidney regeneration is always one of hotspots in the research field of renal diseases. Currently, renal decellularized scaffold construction technology with continuous perfusion provides a new direction for kidney regeneration. However, some problems such as poor cell attachment, incomplete recellularization, cell polarity disorder and inflammatory reaction could be still found in the process of scaffold recellularization. The regenerated kidney has certain functions, but still is nothing compared to the normal kidney. Poor attachment of seed cells plus unregulated directional differentiation is one of the major reasons. To solve this problem and reconstruct functional kidney-like tissues in vitro, we intend to use 3D bioprinting technology to combine biological materials with specific cell regeneration factors for constructing renal regional scaffold with different functions, which could be co-cultured with iPSC. Through the determination of functions of kidney-like tissues and cellular directional differentiation under this cultivation mode, we expect to explore the mechanism of cellular directional differentiation in vitro and the relationship between cell phenotype and functional reconstruction. The implement of this research will enrich the kidney regeneration theory and lay a technological and theoretical foundation for converting research results of kidney regeneration to clinical application.

肾脏再生一直是肾病领域的研究热点之一。最近，基于灌注法脱细胞构建肾脏脱细胞支架技术为肾脏再生开辟了全新的研究方向。但支架再细胞化过程中，仍存在细胞贴附困难，再细胞化不彻底，细胞极性紊乱、炎症反应等问题。再生肾脏虽然具有一定的功能，仍无法与正常肾脏相比较。其中种子细胞贴附困难，定向分化失控是主要原因之一。针对这一问题，本项目组拟利用细胞种植技术或3D生物打印技术，应用生物材料结合特定细胞再生因子，构建肾脏不同功能区域性支架，与多潜能干细胞（iPSc）或肾脏祖细胞共培养，以期解决细胞贴附困难，定向分化失控的问题，在体外重建功能性肾样组织。同时通过对这种培养模式下肾样组织的功能和细胞定向分化进行测定，探究体外培养细胞定向分化的机制以及细胞表型与功能重建之间的关系。本研究的实施将丰富肾脏再生理论，并为肾脏再生的临床转化奠定技术基础和理论依据。

肾脏再生一直是肾病领域的研究热点之一。本项目组拟利用细胞种植技术或3D生物打印技术，应用生物材料结合特定细胞再生因子，构建肾脏不同功能区域性支架，与多潜能干细胞（iPSc）或肾脏祖细胞共培养，以期解决细胞贴附困难，定向分化失控的问题，在体外重建功能性肾样组织。结合前期良好的研究基础，按照原计划目标，我们建立了肾脏类器官的体外3D、2D培养体系，优化了诱导条件，提高了hiPSC向间介中胚层的分化效率，完成了2D培养阶段的形态变化及分子鉴定，同时建立了肾脏类器官3D培养体系，成功构建类肾器官并且进行了类肾器官体内移植实验，进一步促进了类肾器官在体内发育成熟。并通过多方面的鉴定，于体外获得了具备肾脏典型结构的类肾体样组织；完善了骨髓间充质干细胞、诱导多能干细胞、胚胎干细胞、脂肪干细胞等干细胞体外大量扩增方案，保证了再生肾脏构建的种子细胞数量及质量；体内实验的进行，使肾脏类器官得以于体内进一步成熟及血管化，目前体外构建的肾脏类器官仍存在体外成熟度低，移植后尚无更好进展的问题，暂时无法获得具备肾小球过滤功能及尿液排除功能的肾脏类器官。同时，在课题研究的基础上，我们课题组尝试拓宽了研究领域，在干细胞制备期间，通过脂肪干细胞体外诱导至间介中胚层阶段作为种子细胞，种植于鼠肾脏脱细胞支架中，证实种子细胞在支架内得到了进一步分化；通过对后肾移植对急性肾损伤作用的研究，证实在急性肾毒性作用下，胚胎后肾可以长成具有成熟肾脏结构的组织，移植物微环境可有效抑制AKI的进展，为急性肾损伤的治疗提供了新的途径；通过对阴茎海绵体进行脱细胞，构建了海绵体脱细胞支架，并应用骨髓间充质干细胞进行了种植，结果证实干细胞能够很好地分化为终末细胞，并且结构良好。项目的开展，推动了国内肾脏再生领域的发展，为未来临床应用打下了坚实的基础。