多囊肾病（PKD）是常见的遗传性肾病，特征是肾脏中形成许多充满液体的囊肿。PKD有两种形式：常染色体显性遗传性PKD（ADPKD）和常染色体隐性遗传性PKD（ARPKD）。PKHD1是最常见的致病等位基因之一。初级纤毛是一种以微管为结构基础的细胞器，在多条信号通路的信息传递中发挥着重要作用；肾纤毛病是由肾脏上皮初级纤毛结构或功能紊乱引起的一类遗传性疾病，多囊肾是经典的肾纤毛病，不过初级纤毛在PKD中的作用尚不完全清楚。动物模型和临床样本的研究表明，PKD中的多种代谢途径失调，包括糖酵解和自噬，虽然初级纤毛是自噬的重要调节因子，PKD中初级纤毛和自噬之间的相互作用是否失调也不清楚。
基于此，新加坡南洋理工大学李光前医学院研究团队利用人多能干细胞（PSC）衍生的肾脏类器官，开发了PKD的体内和体外模型，该模型不仅能够模拟PKD的病理特征，还能够在没有外源性刺激的情况下自发形成管状囊肿，对于PKD的治疗提供了新的视角。
在ADPKD和ARPKD患者的肾脏中，囊肿衬里上皮获得异位肾素表达，导致肾小管损伤和肾素-血管紧张素醛固酮系统（RAAS）的异常激活，所开发的可自发形成管状囊肿的PKD类器官模型，通过免疫染色、转录组学分析发现在ADPKD和ARPKD肾脏类器官模型中发现了和临床表现一致的异常肾素表达（图1）。
为了更深入地了解PKD囊肿形成的致病途径，结合单核RNA-seq和单核转座酶可及性染色质测序（snATAC-seq）。首先鉴定了13个细胞簇，并进一步分类为5种不同的细胞类型，包括肾小球、近端小管、远端上皮、基质和内皮细胞（图2A）。转录组和单细胞分析均显示所构建的类器官模型表现出了代谢缺陷，以及产生更多的乳酸盐和消耗更大量的葡萄糖，并伴随自噬体成熟途径的显著下调（图2G）、囊肿衬里上皮细胞中自噬体的消耗（图2H）。
通过ATG 5（自噬相关蛋白）过表达或原发性纤毛消融的自噬实验性激活显著抑制PKD肾类器官中的囊肿形成（图2I），且不损害肾单位样结构或影响类器官中的血管网络（图2J）。为了研究初级纤毛PKD中的复杂作用，采用CRISPR-Cas9敲除两种ARPKD患者iPSC系中的KIF 3A（蛋白质编码基因）（图3A和3B）。KIF 3A的缺乏没有消除ARPKD患者iPSC产生肾类器官的能力（图3C和3D），ARPKD肾类器官中初级纤毛的消融显著抑制了囊肿形成（图3E）以及自噬的上调（图3J-L）。初级纤毛和自噬之间的这种致病相互作用可以作为ARPKD的替代治疗靶点。
将所构建的模型移植到免疫缺陷的小鼠肾脏皮下囊腔中，移植后4周，类器官成功地与宿主循环系统融合（图4B），计算得到ARPKD异种移植的囊性指数约为16%，ADPKD肾类器官模型也具有相似的结果（图4E）。此外，在ARPKD类器官移植模型中，囊肿衬里上皮表现出顶端液体分泌和更高的增殖指数（图4F）。通过遗传操作（如ATG5过表达）和药物治疗（如使用米诺地尔，FDA批准的自噬激活剂）可以抑制体内囊肿的形成。米诺地尔治疗能够显著减少ARPKD和ADPKD肾脏类器官异种移植模型中的囊肿形成。
