新的3D模型提供了葡萄糖在致命肾脏疾病中的作用的见解

由美国国立卫生研究院支持的一个研究小组开发了一种新方法，可以更好地了解多囊肾病(PKD)的生物学特性。这种通常危及生命的遗传疾病影响着全世界数百万人。

科学家们结合了两种方法来模拟这种疾病——培养皿中的器官和芯片上的器官技术——以显示葡萄糖(血液中常见的一种糖)在形成PKD囊肿中的作用。

NatureCommunications报道的结果可能会导致更好的方法来测试和开发PKD以及其他疾病的治疗方法。

迷你肾管结构具有糖受体(红色，左上)并形成外向的多囊肾病囊肿(中图)，囊肿因摄入糖而膨胀(绿色，右下)。图片来源：华盛顿大学

培养皿中的器官或类器官是在实验室培养皿中生长的器官的微型版本。它可以模仿人体器官结构和功能的关键特征。器官芯片或组织芯片是更复杂的3D模型，包含通道和活细胞，旨在模拟器官和组织的结构和环境。

NIH的国家转化科学推进中心(NCATS)研究计划开发这两种技术作为基于人类细胞的方法来研究疾病并更好地预测药物对人类是否安全或有毒。

在PKD中，肾脏中的小管(小管)像水气球一样膨胀，几十年来形成液囊。囊或囊肿最终会挤出健康组织，导致肾功能问题和肾衰竭。科学家们已经确定了许多导致PKD的基因，但是关于这种疾病的很多信息仍然未知，包括囊肿是如何形成的。

“我们能够将小管中囊肿形成的复杂过程归结为培养皿中的过程，只需几周时间，但缺乏进一步研究这种疾病的技术，”华盛顿大学医学院说。领导这项工作的医学科学家BenjaminFreedman博士。“动物模型很有帮助，但将这些研究的结果转化为人类一直是一个挑战。”

Freedman、共同作者、医学博士JonathanHimmelfarb和他们在西雅图的同事决定探索将类器官技术与组织芯片平台相结合。科学家认为流体流动对囊肿的形成很重要，但他们无法在类器官中检验这一理论。

“在肾脏中，液体总是通过小管;在任何给定的时刻，肾脏都有大约25%的体液通过它们，”弗里德曼解释道。“我们无法在培养皿中复制这个系统，因为液体需要通过肾脏结构。在组织芯片中使用微流体技术是自然而然的下一步。”

Freedman的研究小组表明，将PKD类器官芯片模型暴露于水、糖、氨基酸和其他营养物质的混合物中会导致包囊相对快速地膨胀。他们发现囊肿吸收葡萄糖并从经过它们的液体中吸收水分，使囊肿变大。虽然肾脏通常吸收葡萄糖，但葡萄糖吸收与PKD中的囊肿形成无关。

“囊肿可以吸收葡萄糖并不奇怪，但令人惊讶的是它们依赖葡萄糖。这是一种思考这些囊肿如何形成的新方法，”弗里德曼说。

科学家们给患有PKD的小鼠添加了荧光葡萄糖，发现小鼠囊肿也吸收了葡萄糖。“我们认为小管在小鼠体内吸收液体，就像在类器官中一样。肾脏变大，随着时间的推移肾小管变宽以适应扩张，就会形成囊肿，”弗里德曼说。

了解PKD的机制可以指明治疗它的新方法。作为研究的一部分，研究小组表明，添加阻断葡萄糖转运的化合物可防止囊肿生长。Freedman指出葡萄糖抑制剂正在开发用于其他类型的肾脏疾病。

“研究人员已经表明，模拟流体流动对于使该系统更像患有PKD的肾脏环境至关重要，”NCATS特别倡议办公室主任DaniloTagle博士说。

“将这两种技术结合起来，使组织芯片技术更适合药物发现和药物开发，并使研究人员能够利用这两种平台的优势。这对于未来以新的方式研究其他疾病非常有希望。”