本研究由来自山东大学齐鲁医院泌尿外科的李强郭、山东大学基础医学院系统生物医学系的范玉佳、孙慧娴等多名研究人员共同主导，通讯作者为山东大学的范毅、胡慧丽和赵胜田。研究成果以题为“患者来源的肾脏类器官重现常染色体显性多囊肾病并促进Rho通路抑制剂作为候选治疗药物的鉴定”的论文形式，于2026年4月21日发表于《细胞报告医学》（*Cell Reports Medicine*）期刊。
该研究属于生命科学和医学交叉领域，具体聚焦于肾脏疾病建模与药物发现。常染色体显性多囊肾病（Autosomal-dominant polycystic kidney disease, ADPKD）是最常见的遗传性肾病之一，其特征是肾脏中形成并持续增大的多个囊肿，最终导致肾功能衰竭。尽管有托伐普坦等药物获批，但治疗选择仍然有限。ADPKD的病理机制复杂，部分原因是缺乏能够准确模拟其成人发病特性、遗传背景（如体细胞“二次打击”突变）以及囊肿多节段起源的生理相关人类模型。传统的人多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs）来源的肾脏类器官主要模拟早期肾脏发育阶段，且存在非肾细胞类型污染、结构不成熟、缺乏成年肾脏细胞状态等问题。而近期发展的从成人组织或尿液衍生出的“肾小管样器官”（tubuloids）则主要包含近端小管细胞，细胞类型多样性不足，且通常需要利用基因编辑技术引入突变，无法完全还原患者真实的遗传背景。因此，开发一种直接源自ADPKD患者成年肾脏组织、能保留内源性遗传背景并包含多种肾单位谱系的类器官模型，对于深入理解疾病机制和加速治疗药物发现具有迫切需求。
本研究的核心目标是建立一个源自ADPKD患者组织的、可扩增的多谱系成年肾脏类器官（multi-lineage adult renal organoids, MAROs）模型，用以精确模拟ADPKD病理特征，并基于此高通量筛选平台鉴定新的候选治疗药物，同时深入探究囊肿发生的分子机制。
详细工作流程：
第一步，建立和表征多谱系成年肾脏类器官（MAROs）平台。 研究人员从76份接受手术的健康供体和ADPKD患者的肾脏组织样本中，成功建立了69个类器官系。他们对已报道的tubuloids培养基进行优化，添加了视黄酸（retinoic acid, RA）、胶质细胞源性神经营养因子（glial-cell-derived neurotrophic factor, GDNF）和成纤维细胞生长因子20（fibroblast growth factor 20, FGF20）。这种优化培养基显著提升了类器官的扩增能力（>4倍）和祖细胞标志物CD24的表达（>15倍）。培养出的MAROs在超过5个月（>22代）的传代中保持了持续的增殖能力，并表现出芽生形态。通过单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）对32,350个高质量细胞进行分析，鉴定出六个主要细胞群：周期上皮祖细胞、表达AQP1的近端小管细胞、表达AQP3的主细胞样细胞、连接小管、髓袢升支粗段以及GATA3+的集合管祖细胞。这表明MAROs同时包含了近端小管和集合管谱系，相较于传统的tubuloids具有更丰富的远端肾单位成分。免疫荧光染色进一步证实了分化细胞类型的存在。功能实验验证了MAROs中近端小管细胞具有受体介导的内吞作用（白蛋白摄取并与Cubilin、LRP2共定位）和P-糖蛋白介导的主动外排功能。此外，通过添加8-溴-cAMP和CHIR99021进行诱导，MAROs中的集合管谱系可以进一步成熟，表达AQP2（主细胞标志物）和ATP6V1B1（闰细胞标志物），并呈现体内集合管的空间分布模式。
第二步，建立并表征患者来源的ADPKD类器官（PKD_orgs）。 研究团队直接从ADPKD患者的肾脏组织中建立了PKD类器官系。与健康的对照类器官（Con_orgs）呈现致密芽状结构不同，PKD_orgs在培养过程中形成了多个中空、不断扩张的囊性结构，在形态上重现了患者组织中的囊肿扩张过程。免疫染色显示囊肿内衬上皮细胞表达SOX9和AVPR2（集合管标志物）。定量分析证实PKD_orgs的囊肿形成数量显著高于对照。转录组分析显示，PKD类器官在转录水平上比二维细胞系或PKD小鼠模型更接近ADPKD患者组织。基因集变异分析（Gene Set Variation Analysis, GSVA）揭示，在PKD组织和类器官中，钙转运相关通路下调，而细胞外基质重塑、慢性炎症和平面细胞极性（Planar Cell Polarity, PCP）信号通路显著上调，这与已知的ADPKD病理过程一致。此外，PKD_orgs还重现了ADPKD的关键分子和结构表型：原发性纤毛伸长；PCP通路关键组分（如FZD3, CDC42）表达上调；氯离子通道（CFTR, TMEM16A）表达异常增加；自噬激活（LC3-II增加、电镜下可见自噬结构）以及AMPK信号通路下调。
第三步，单细胞转录组分析揭示PKD1和PKD2突变类器官的异同及PCP信号激活。 对PKD1突变、PKD2突变和对照类器官进行scRNA-seq分析（共33，806个细胞）。结果显示，两种突变型类器官的细胞组成均向集合管来源的细胞群偏移，同时近端小管来源谱系减少。差异表达分析发现，两种突变型共享一些上调通路，如PCP、自噬和炎症相关通路。但也存在基因型特异性特征：PKD1突变类器官富集于三羧酸循环和CFTR信号通路，而PKD2突变类器官则富集于VEGF和Hippo通路。将类器官数据映射到已发表的成人肾脏单细胞图谱上，证实了类器官细胞与ADPKD相关肾单位节段（近端小管、髓袢升支粗段、集合管/连接小管）的对齐。通路富集分析进一步确认，在类器官和患者组织中共同上调的基因显著富集于mTOR、Hedgehog、自噬以及关键的PCP效应通路（包括RhoA, Rac1, CDC42 GTP酶级联反应）。蛋白印迹实验验证了PKD组织和类器官中PCP调节因子（FZD3, CDC42, RAC1, RHOA, ROCK1/2）的表达升高。
第四步，探究纤毛-Rho/PCP信号轴在囊肿发生中的作用（纤毛依赖性囊肿激活机制，Cilia-dependent cyst-activating, CDCA）。 为了探究纤毛在ADPKD囊肿发生中的具体作用，研究团队构建了六组类器官模型：野生型对照、野生型对照+Ift88敲除、PKD1突变、PKD1突变+Ift88敲除、PKD2突变、PKD2突变+Ift88敲除。Ift88敲除有效消除了纤毛形成。整合转录组分析发现，在PKD突变背景下敲除Ift88，会导致Rho GTP酶信号通路（RhoA, Rac1, CDC42）的核心组分显著下调，而在野生型背景下敲除Ift88则影响不大。基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）显示，纤毛相关程序在所有Ift88敲除组中均被抑制，而细胞周期和Rho-GTPase相关的细胞骨架重塑通路仅在PKD突变背景的Ift88敲除组中被特异性下调。RT-qPCR和蛋白印迹证实，纤毛的消除选择性地降低了PKD突变类器官中PCP/Rho通路组分（FZD3, CDC42, RHOA, RAC1, ROCK1/2）的表达。对PCP蛋白VANGL2的定位研究发现，在PKD患者组织中，VANGL2从正常的基底外侧定位转变为顶膜富集；在PKD类器官中，VANGL2局限于基底膜；而在敲除Ift88的PKD类器官中，VANGL2的顶-基底分布得到部分恢复。这些结果支持存在一个“纤毛依赖性囊肿激活”机制，即在多囊蛋白缺失的情况下，完整纤毛的缺失会特异性减弱Rho/PCP信号，从而抑制囊肿表型。
第五步，微流体灌注加速囊肿扩张并激活Rho/PCP信号。 为了模拟体内流体剪切力，研究建立了微流体灌注培养系统。在动态流动条件下，PKD类器官的囊肿扩张速度比静态培养更快。RT-qPCR分析显示，动态培养选择性地上调了PKD类器官中Rho/PCP通路组分（RAC1, RHOA, ROCK1, ROCK2, CDC42, FZD3）以及纤毛相关基因（CC2D2A, CSPP1）的转录水平。这表明生理性流体剪切力作为一种上游刺激，可以加速囊肿扩张并放大纤毛依赖的Rho/PCP信号，为CDCA机制提供了功能支持。
第六步，基于类器官的高通量药物筛选鉴定Rho通路抑制剂为潜在疗法。 利用已建立的、可扩展培养的PKD类器官，研究团队进行了高通量药物筛选。他们筛选了一个包含160个小分子化合物的文库（主要来源于临床试验中已测试或潜在有效的ADPKD相关药物）。初步筛选（使用PKD1和PKD2突变类器官系）鉴定出23个能显著减小囊肿大小的候选化合物。这些化合物靶向多样化的通路，包括mTOR、GPCRs、AMPK、血管生成、Rho GTP酶信号和细胞骨架动力学。随后在三个额外的PKD1或PKD2突变类器官系中进行剂量-反应验证。结果显示不同基因型对某些药物反应存在差异（如托伐普坦对PKD1突变更有效，而AICAR对PKD2突变更有效）。值得注意的是，靶向Rho GTP酶通路的抑制剂——ML141（CDC42抑制剂）、EHT 1864 2HCl（RAC抑制剂）和CCG-1423（RHOA抑制剂）——在两种突变型类器官中都表现出一致的疗效。进一步研究表明，ML141处理可诱导PKD类器官囊肿可逆性缩小，且不影响正常对照类器官的生长或细胞增殖。机制上，ML141处理降低了CDC42及其下游效应因子（如ARP3, ARPC2, PAR3）的表达，从而抑制了CDC42驱动的细胞骨架重塑和PCP信号。
主要结果与结论： 本研究成功建立了一个直接从ADPKD患者组织衍生的、可扩增的多谱系成年肾脏类器官模型。该模型在形态、分子和功能等多个层面忠实地重现了ADPKD的关键病理特征，包括囊肿形成、纤毛伸长、PCP信号异常激活、自噬失调等。通过单细胞转录组学，研究揭示了PKD1和PKD2突变在推动疾病进展中既有共同通路激活，也存在基因型特异性差异。机制研究方面，研究首次在人类患者来源的模型中明确将Rho GTP酶信号通路定位为“纤毛依赖性囊肿激活”机制的关键下游效应器，证明在多囊蛋白缺失背景下，完整的纤毛是维持Rho/PCP活性所必需的。微流体灌注实验进一步将生理性流体剪切力整合到这一信号轴中。基于此模型的高通量筛选，成功鉴定出Rho通路抑制剂（尤其是ML141）作为在多个基因型中均有效的候选治疗药物，并初步验证了其可逆性和选择性抗囊肿作用。
研究意义与价值： 本研究的科学价值在于，它提供了一个在遗传背景、细胞组成和病理生理特征上更贴近ADPKD患者真实情况的体外研究平台，克服了传统干细胞模型和tubuloids模型的局限性。该平台不仅可用于疾病机制研究（特别是揭示了Rho/PCP信号在CDCA机制中的核心地位），还为高通量药物筛选和个体化治疗策略开发提供了强大的工具。应用价值方面，研究直接筛选并验证了Rho通路抑制剂作为ADPKD的新型候选疗法，为开发新的治疗药物开辟了道路。此外，研究中观察到的基因型特异性药物反应差异，也为未来实现ADPKD的精准医疗提供了潜在依据。
研究亮点： 1. 模型创新：首次建立了直接来源于ADPKD患者成年肾脏组织的、包含近端小管和集合管等多谱系的可扩增类器官模型，更准确地模拟了成人发病、遗传背景复杂的ADPKD。 2. 机制突破：在人类患者来源的模型中，系统证实并深入阐释了“纤毛依赖性囊肿激活”机制，并将Rho GTP酶/PCP信号通路明确为该机制的核心下游环节。 3. 技术与方法整合：结合了单细胞转录组学、基因编辑（Ift88敲除）、微流体器官芯片、高通量药物筛选等多种前沿技术，形成了从模型构建、机制解析到药物发现的完整研究体系。 4. 转化价值明确：利用该患者来源平台成功进行了药物筛选，鉴定出具有广谱（跨PKD1/PKD2基因型）潜力的Rho通路抑制剂候选药物，并展示了其可逆的治疗效果，直接推动了临床前转化研究。
其他有价值内容： 研究也指出了模型的局限性，例如缺乏血管化、免疫互作等体内复杂微环境；药物暴露时间相对较短，长期疗效需体内验证；囊肿的细胞起源虽提示以集合管为主，但仍需谱系追踪研究最终确认。这些诚实的讨论为未来研究的改进方向提供了指引。研究数据已公开存入基因表达综合数据库，保证了研究的可重复性和开放性。