邻近细胞释放的可溶性信号指导人类肾脏的构建方式

人类肾脏在出生前就构建完成，且此后不再新增，而指导其构建的规则在很大程度上是从动物模型中推断出来的。宾大医学院的研究人员如今直接在人体组织中弄明白了这些规则。他们发现，发育中的细胞受到邻近细胞释放的可溶性信号的引导，并确定了胰岛素样生长因子2（IGF2）是维持肾脏干细胞样细胞的关键信号。

他们的研究发表在《自然·遗传学》杂志上，由宾大-CHOP肾脏创新中心开展。该中心是由佩雷尔曼医学院和费城儿童医院合作成立的研究中心，并与宾大工程与应用科学学院和再生医学研究所的生物工程师合作。

肾脏在出生前发育得好不好，会影响一个人一辈子。健康人出生时拥有20万到200万个肾单位——即从血液中清除废物的微观过滤单元——出生以后就不会再长新的了。肾单位数量偏少的人，一辈子得高血压和慢性肾病的风险都更高，而肾脏形成的严重紊乱是儿童慢性肾脏病的首要原因。

这个合作由三方共同参与，这种架构对取得这一成果起到了关键作用。肾脏创新中心提供了构建图谱所需的单细胞和空间基因组学数据，以及使之成为可能的儿科和胎儿组织。生物工程团队贡献了实验室系统——培养的胚胎肾脏和干细胞衍生的类器官——用于检验图谱中发现的信号是否真正驱动发育。仅凭图谱无法证明IGF2发挥了作用；光有实验系统，也不知道该去测什么。

细胞如何协调构建肾脏

为了捕捉完整组织中发生的发育过程，研究团队把单细胞RNA测序和两个空间转录组学平台结合起来，分析了妊娠12.5至20.5周之间人类胎儿肾脏中超过70万个细胞。传统的单细胞测序需要将组织溶解为分离的细胞，而这恰恰把发育所依赖的关键信息给丢掉了：每个细胞所处的位置以及哪些信号到达了它。空间方法则把这一背景信息保留了下来，让研究人员能把每个细胞以及它分化的每一个阶段都重新放回发育中器官的图谱上。

“肾脏不是靠细胞单独工作构建而成的，”该研究的共同负责人、Willard and Rhoda Ware糖尿病与代谢疾病IV教授、宾夕法尼亚大学-费城儿童医院肾脏创新中心联合主任Katalin Susztak说。“每个细胞都得知道自己在哪里、邻居在释放什么信号、自己该变成什么——而且它得在大约一百万次里每次都做对。我们本来已经能看到有哪些细胞了。我们看不到的是它们之间传递的信号。”

由于研究人员能够在物理空间中而非抽象层面追踪分化过程，他们就能精确定位发育中的细胞是在哪个解剖位置做出某种命运选择的，并修正了人类肾脏中这些选择原本公认的先后顺序。

一种维持干细胞持续生长的生长因子

为了找到驱动这些选择的信号，研究人员做了一项全基因组水平的、结合空间信息的细胞间通讯分析，把每种可溶性信号在局部是否存在与细胞实际走的路径对应起来。分析结果表明，IGF2与肾单位祖细胞的更新密切相关，肾单位祖细胞是一种干细胞样的细胞群体，能产生大部分肾单位，到了妊娠晚期就会耗尽。另外两种信号——GDNF和RSPO3——也与祖细胞的更新有关。

随后，团队直接测试了IGF2。在培养的小鼠胚胎肾脏中，添加IGF2使输尿管树的分支增多，并使位于每个分支尖端的祖细胞帽增大。阻断该受体则产生了相反的效果，使这些细胞帽缩小并变得紊乱，在较高剂量下，甚至使祖细胞群体消失。同样的模式在由干细胞培养的人肾脏类器官中也成立：阻断受体减少了祖细胞和管状结构，而添加IGF2则使两者均扩增。

研究人员还引入了一种描述发育中组织的新方法，不再依赖经典解剖学。他们不是根据恰好位于附近的细胞类型来定义细胞邻域，而是根据细胞周围整套可溶性信号来定义。这些基于信号的邻域划分反映了真实的发育生物学规律，并且在若干情况下，跨越了解剖学家传统上划定的边界。

“证实IGF2是干细胞更新因子这件事很重要，因为它表明我们的方法是有效的，但它对类器官技术也有启示，也关系到发育环境如何影响日后的肾脏健康，”费城儿童医院的儿科肾脏病学家、该研究的共同第一作者Jonathan Levinsohn医学博士说。“实验室培养的肾脏组织是一个快速发展的领域。搞清楚如何促进生长，是培养出功能正常、更接近人类肾脏的类器官的切实一步。”

人类遗传学也提供了同样的线索：在一项大型人群研究中，IGF2及其受体附近的基因变异近来被发现与成人肾脏大小差异有关，而这项新研究为这种关联提供了一种机制解释。

“肾脏是一个物理结构，而物理环境对于肾脏如何形成来说并非无关紧要——它本身就在提供指导，”工程与应用科学学院和再生医学研究所的Alex J. Hughes说道，他与Susztak共同领导了这项研究。“能够了解细胞真正所处的信号环境，而不是从旁边的细胞类型去推断，这会改变我们能构建出什么。”

细胞会“变卦”

这项研究的核心发现之一是，发育中肾脏的细胞命运并不是在做出选择的那一刻就锁死了。研究人员发现，已经走上成为近端小管细胞这条路的细胞，会转变为肾小体的其他细胞类型，肾小体——也就是肾脏的过滤结构。

这种灵活性可能解开了一个长期存在的谜题。过去认为引导肾脏发育的化学梯度非常微弱，却能生成一百万个大小比例都正确的肾单位。研究结果表明，这些早期梯度可能不需要那么精确。相反，模式形成似乎分两个阶段运作：早期信号先搭一个大致可行的框架，后期信号再对每个细胞进行微调，让它们对准自己的最终位置。

“我们长期以来一直假设，一旦肾脏细胞确定了命运，它就会留在那里，”Susztak说。“我们的数据显示，发育过程没那么死板。组织先搭出一个粗略的方案，然后自己修正。我猜想，肾脏就是靠这种方式想办法造出一百万个肾单位，而且几乎个个都对。”

该框架并非肾脏所特有，同样的方法可以应用于任何发育中的器官——只要该器官的细胞需要在空间上协调配合。

“如果我们想要培育出行为与真实组织一样的肾脏组织，就得搞清楚细胞之间在互相‘说’些什么，”Susztak说。“这项工作给了我们那份‘词汇表’的初稿。同样的原理应该也适用于组织受伤后如何自我修复，以及细胞失去自身‘身份’的疾病。”