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3D生物打印血管近端小管模拟人体肾脏功能

为了使我们的身体正常工作,我们的肾脏在保持血液成分恒定方面起着至关重要的作用。为了达到这个目的,肾脏的大约一百万个过滤单元(肾小球)首先清除多余的水和废物,然后被称为近端小管的特殊结构重新吸收“好”分子,将它们返回到我们的血液中。虽然近端小管的再吸收功能可能会受到药物、化学品或遗传和血液传播疾病的损害,但我们对这些影响如何发生的理解仍然有限。为了研究人体外的肾再吸收,Wyss研究所的核心教员Jennifer Lewis,SC.D.与瑞士的Roche创新中心Basel合作,创建了一个3D生物打印的血管化近端小管模型,其中独立的可灌注小管和血管在另一个附近打印。

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免疫荧光染色  来源:哈佛大学Wyss学院

3D打印生物打印血管化近端小管,近端小管上皮标记物在近端小管通道呈绿色,血管内皮标记物在相邻血管通道呈红色。放大的横截面说明两种不同的细胞类型在各自的通道中形成了管腔可灌流结构。

在一个工程细胞外基质内。这项工作建立在一个连续灌注的3D近端小管模型的基础上,该模型由小组早些时候报告,但仍然缺乏一个功能性血管室。利用他们的下一代设备,研究小组测量了葡萄糖从近端小管到血管的输送,以及高血糖症的影响,高血糖症是一种与患者糖尿病相关的疾病。

Roche研究员和Lewis团队的博士后研究员Neil Lin博士说:“我们在几天内制造出这些活的肾装置,它们可以保持稳定和功能数月,重要的是,这些三维血管化的近端小管显示出所需的上皮和内皮细胞形态和管腔结构,以及关键结构和转运蛋白的表达和正确定位,以及允许小管和血管间室相互沟通的因素。”

作为试验药物和建立疾病模型的第一步,研究小组在他们的模型中通过近端小管室循环比正常葡萄糖浓度高四倍的葡萄糖,从而诱导了“高血糖症”,这是糖尿病的典型高血糖状态和血管疾病的已知危险因素。我们发现高水平的葡萄糖转运到血管内的内皮细胞造成了细胞损伤,”Wyss研究所和SEA的Lewis’Group的研究助理Kimberly Homan博士说。通过将药物通过特异性抑制近端小管上皮细胞中主要葡萄糖转运蛋白的小管循环,我们防止了这些有害变化发生在邻近血管中的内皮细胞上。”

该团队目前的重点是进一步扩大这些用于制药应用的3D打印模型。”该研究的行业合作者、巴塞尔罗氏创新中心首席科学家安妮·莫伊桑博士说:“我们的系统能够筛选出肾脏毒性的药物库,从而有助于减少动物实验。”

Lewis说:“我们新的3D打印肾脏模型是一个令人兴奋的进步,因为它能更全面地再现在本地肾组织中发现的近端小管段。”除了在药物筛选和疾病建模方面的直接应用外,我们还在探索这些活体设备是否可以用于增强肾脏透析。”目前,救生透析机过滤血液,但它们无法从身体许多乐趣所需的滤液中提取宝贵的营养素和其他物种。会导致特定的缺陷和并发症。Lewis和她的同事认为,3D生物打印的血管化小管可能会改善肾脏替代疗法。

我们的研究成果发表在《美国国家科学院院院刊》(PNAS)上。

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