Science Advances案例：杜克大学开发超薄膜芯片模拟肾小球生理结构

文摘科学 2024-06-27 17:05 浙江

很高兴与大家分享一篇由杜克大学Musah教授团队近期发表于知名杂志<Science Advances>上的论文，该论文通过改造Emulate器官芯片中使用的多孔膜，利用蚕丝蛋白开发超薄多孔膜技术，重建具有尿液滤过屏障功能的肾小球芯片，并测试了不同大小分子的选择性滤过水平，各项指标达到透析标准，可作为潜在血液过滤装置，并有望进一步用于筛选肾毒性药物、研究疾病机理和发现新的候选疗法。

研究背景

器官芯片技术整合了材料科学、组织工程、细胞与发育生物学等技术，用于体外模拟人体器官生理环境。器官芯片结构紧凑，只有U盘大小，内含支持细胞培养和组织形成的微流控通道。器官芯片可调控液体流动和机械拉伸，对细胞施加剪切应力，刺激机械敏感基因的表达，调节细胞命运决定、增殖、成熟和信号传导。微流控通道可以设计成与相关器官的体内组织结构相匹配，相邻通道形成组织-组织界面，模拟生理环境中的界面。例如，血脑屏障、肺泡和肾小球滤过屏障就是通过堆叠由多孔膜隔开的两个微通道来模拟的，以促进细胞粘附。器官芯片系统已被应用于药物筛选、疾病建模和发育生物学研究。

自哈佛大学wyss研究所创始所长，Emulate科学创始人Don Ingber院士2010年发表开创性的世界上首张器官芯片以来，器官芯片系统领域发展迅速。因为器官芯片提供的体外模型可避免种间差异，而这种差异限制了动物模型在疾病研究和治疗发现中了解人类生物反应的效用。例如，器官芯片可利用人体干细胞分化技术生成特异性人体器官模型，用于临床前研究，而90% 以上通过动物模型临床前研究的候选药物在人体临床试验中失败，利用人体细胞开发的器官芯片已证明可更好地预测人体反应，并提高药物开发的成功率。FDA认识到器官芯片的突破性优势，批准将器官芯片用作临床前研究模型，作为 2022 年通过的《FDA现代化法案 2.0》的一部分，取消了在人体临床试验前强制进行动物试验的规定。

然而，器官芯片中的非生物材料往往会限制其性能。例如，器官芯片中分隔流体通道的膜通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚碳酸酯（PC）等聚合物组成，这些聚合物在流体流动时具有机械完整性和生物相容性，但这些聚合物会形成永久性不可降解膜，其厚度比人体器官中的基底膜还要厚。器官芯片中使用的PDMS 和 PC 膜厚度在 30 到 50 微米之间，而人体器官中的基底膜厚度通常小于 1 微米。为器官芯片制作超薄 PDMS 膜需要成本高昂的专用设备和技术（如使用专用气体进行反应离子蚀刻），这对生产造成了明显的障碍。此外，PDMS、PC 和其他合成聚合物的惰性会在细胞和组织之间形成永久屏障，阻碍细胞外基质（ECM）的功能重塑。这种非生理性膜阻碍了细胞间的跨膜交流以及对健康和疾病中基底膜的研究。此外，PDMS/PC 膜表面平坦，缺乏原生组织中的特征和微结构，而这些特征和微结构对细胞命运决定和组织功能非常重要。

为了提高器官芯片的生理相关性，本研究使用蚕丝纤维蛋白（SF）为Emulate器官芯片设备设计了一类替代基底膜。蚕丝纤维蛋白是一种由桑蚕产生的蛋白质，具有优异的机械性能、生物相容性和多功能性，已被用于制造各种合成材料，如药物输送、生物传感器和生物电子学以及组织工程。当SF 暴露于甲醇时，它会发生构象转变，从无规线圈变为紧密排列的 β 片，从而增强SF 基材料的机械性能，并使其不溶于水。SF 材料的特性超过了其他基于蛋白质的生物材料，如胶原蛋白和纤维材料，后者在流体剪切应力和处理过程中更容易破裂，因此SF 有希望成为组织工程应用的候选材料。

本研究中，我们利用蚕丝纤维蛋白 SF 设计了一个肾小球器官芯片系统，该系统制造了一个与体内基底膜相似的超薄膜，具有类似ECM 的地形和分子特性，能够有力地支持肾细胞繁殖、跨膜细胞间交叉对话、基底膜重塑、分子大小特异性肾小球过滤。

1 超薄膜器官芯片的开发和表征

本研究展示了超薄膜器官芯片的制造过程（图 1A ）。通过电纺丝生成 SF 膜，并将其切成 5 厘米乘 0.5 厘米的长方形，然后在 90% 的甲醇中浸泡 20 分钟，以诱导 SF 链从无规线圈构象转变为 β 片。在电纺过程中加入聚环氧乙烷（PEO）以增加溶液的粘度，并将 SF 膜浸入去离子水（DI）中 48 小时以去除 PEO。不含 PEO 的 SF 膜风干后附在 PDMS 芯片上，PDMS 芯片包含一个微流控通道（1 毫米 x 0.2 毫米 x 18 毫米，图 1B 中的底部通道），该通道使用旋涂 PDMS 胶水用于培养形成血管通道。然后将得到的 SF/PDMS 混合芯片冲压到第二个 PDMS 芯片上，该芯片包含一个更大的通道（1 毫米 x 1 毫米 x 18 毫米，图 1B 中的顶部通道），代表尿液滤液通道。使用 PDMS 胶水固定平行流体通道外和芯片壁之间的 SF 膜部分。冲压步骤进行了两次，以确保 PDMS 胶水充分铺展并渗入 SF 膜。胶水在室温下固化 48 小时，然后用氧等离子体处理 SF/PDMS 底部芯片和新的 PDMS 顶部芯片，以通过 Si─O─Si 共价键促进 PDMS-PDMS 粘合。氧等离子处理还在 SF 膜上引入了羟基，从而增加了其亲水性，并增强了对层粘蛋白-511 的吸附，层粘蛋白-511 是一种对细胞粘附、繁殖和分化至关重要的 ECM 蛋白。为了证明芯片的生物功能，我们利用 iPS 细胞衍生的血管内皮细胞和足细胞重建了人类肾脏的血液过滤屏障--肾小球毛细血管壁--的结构和功能，该屏障具有独特的三层组织-组织界面，具备选择性血液过滤功能。

图 1. 超薄膜器官芯片的设计和表征。

由此产生的芯片包含两个由 SF 膜隔开的流体通道（图 1B）。值得注意的是，这种膜比之前报道的用于其他 OOC 设备的 PDMS 膜薄了一个数量级（3.5 μm 对 45 μm）（图 1，C 和 D）。SF 膜具有很高的孔隙率（图 1，E 和 F），这对于分子运输和膜相对侧细胞层之间的细胞间交流来说是一个重要特征。尽管 SF 膜具有理想的高孔隙率，但超薄膜器官芯片装置即使在长时间连续灌注后也没有泄漏。SF 膜还表现出一种微观结构，其特点是纤维层交织在一起，与原生ECM 的超微结构相似（图 1F）。当用层粘蛋白功能化以增强细胞粘附力时，SF 膜保留了其特有的纤维形态特征，而与未涂层膜相比，单个纳米纤维似乎表现出略微粗糙的表面拓扑结构，这表明层粘蛋白-511 在电纺 SF 纳米纤维上的牢固结合。此外，SF 膜的体积杨氏模量约为 67 kPa，与之前报道的人类肾脏的机械性能密切相关；电纺 SF 的这种类似于活体的形貌和机械性能可增强细胞的传播和分化。天然衍生基质的分子含量在不同批次之间存在差异，这限制了实验之间的可重复性。为了研究我们的工程化平台能否避免这一问题，我们进行了傅立叶变换红外（FTIR）光谱分析，以研究独立合成的 SF 膜的化学和官能团特征。我们发现，不同批次的膜表现出相似的红外吸收峰模式，表明分子和构象组成一致。

2 利用患者特异性iPS细胞构建肾小球芯片

肾小球芯片由两个平行的微流体通道组成，因此适合模拟多组分组织系统，如肾脏血液过滤屏障上的三层荚膜-肾小球基底膜-内皮细胞界面。在我们的肾小球芯片装置中，顶部通道代表泌尿系统，底部通道代表血管系统（示意图见图 1B）。为了模拟人类肾小球组织在原位的发育过程，我们从 hiPS 细胞衍生的中间中胚层细胞（IM 细胞；足细胞的前体）中分化出足细胞，并将其与来自相同（同源）hiPS 细胞的血管内皮细胞进行共培养。通过使用补充了特定诱导因子的培养基，将播种在顶部通道中的中胚层细胞分化成成熟的足细胞，同时在血管通道中将这些细胞与分层在 SF 膜另一侧的内皮细胞进行分化。分化后的足细胞形成均匀的细胞层，并表达成熟的足细胞系标志物，包括肾素（nephrin）和荚膜素（podocin）（图 2A），它们对调节足细胞足部过程的形成和血液过滤功能非常重要。位于两个或多个荚膜足底进程之间界面的肾素可维持裂隙隔膜结构的完整性，而荚膜素则可调节足细胞的形成。在芯片中分化的足细胞在所形成的组织区域或边界表达了高水平的肾素，在这些区域或边界，多个足细胞相互作用，形成了在原生组织中观察到的拉链状结构或相互交错的足突形态。这些细胞表型表明，原位分化的足细胞已经成熟，并形成了组织功能所需的细胞-细胞相互作用（图 2A，左上、左中、左下和中底图像）。此外，podocin 在足细胞中形成丝状分布模式，表明细胞成熟并形成足突（图 2A，右上、右中和右下图像）。hiPS 细胞衍生的内皮细胞在 SF 膜的另一侧保持汇合层，并表达内皮细胞标志物血管内皮（VE-cadherin）（图 2B），这是一种对调节细胞-细胞接触、细胞增殖和血管通透性至关重要的粘附分子。此外，我们还发现血管通道的四面都有内皮细胞。鉴于本研究的目标是建立肾小球滤过屏障模型，我们特别关注了内衬 SF 膜和足细胞-内皮细胞界面的内皮细胞。这些分析表明，在嵌入微流控芯片的 SF 膜的专用顶端和基底侧形成了连续的足细胞层和内皮细胞层，这一点已被该装置的三维（3D）共聚焦成像所证实（图 2C）。此外，WB分析显示突触表皮蛋白和 VE-cadherin（血管粘连蛋白）强条带的存在，进一步证实了成熟的足细胞和内皮细胞存在于超薄膜器官芯片装置中。突触素是关键的足细胞标记物之一，能与足细胞肌动蛋白-骨架结合，调节足细胞肌动蛋白的完整性，并对明显的肌动蛋白细胞骨架重排或破坏引起的足细胞损伤起到保护作用。

图 2. 超薄膜器官芯片增强了细胞分化和肾小球组织的形成。

足细胞是原生肾小球基底膜蛋白的主要贡献者。我们检测了芯片中形成的肾小球组织中ECM 蛋白的表达，发现足细胞层产生的胶原蛋白 IV 明显多于内皮细胞层（图2D），这与成熟肾脏的表型一致。其他关键的肾小球基底膜分子，包括 nidogen-1 和 agrin 也由足细胞分泌并沉积在下层 SF 膜上，而内皮细胞中的表达量很低甚至没有（图 2D）。Nidogen-1 可与层粘连蛋白和胶原蛋白结合，促进基底膜的形成，而 agrin 是一种带负电荷的硫酸肝素蛋白多糖，有助于肾小球基底膜在体内形成净负电荷。这种净负电荷可能有助于限制血浆白蛋白的过滤和流失。这些细胞分泌的ECM 分子沉积在底层的 SF 膜上，表明足细胞可通过分泌肾小球基底膜分子重塑SF 膜，从而在足细胞和内皮细胞之间形成类似于原生 ECM 的界面。

肾脏的肾小球滤过屏障根据分子大小和电荷进行过滤，清除血液中的废物。带负电荷的大分子血浆蛋白会被保留下来，而较小的废物分子则会通过并进入尿液。例如，菊粉是一种小型多糖（3至 5 kDa），能有效穿过肾小球滤过屏障，被广泛用于临床测量患者的肾小球滤过率。相比之下，白蛋白是一种带负电荷的大蛋白（66.5 kDa），在健康肾脏中不能穿过滤过屏障，而是滞留在血管中。为了确定我们衬有足细胞和内皮细胞的芯片是否能选择性地将白蛋白保留在血管通道中，而将菊粉过滤到尿滤液通道中去除，我们使用菊粉与异硫氰酸荧光素（菊粉-FITC）和白蛋白与得克萨斯红（白蛋白-得克萨斯红）共轭进行了过选择性过滤试验。我们发现，内衬足细胞和内皮细胞的芯片显示出与生理相关的选择性分子过滤水平，在6小时内去除7%以上的菊粉，同时保留99.5%以上的白蛋白（图 2E）。这种选择性过滤性能与6 小时内菊粉去除率6.6%和白蛋白保留率99.9%的体内估计值相当（图 2F）。由于缺乏专门的肾小球上皮细胞和内皮细胞的芯片无法阻止白蛋白流失到尿液外流中，因此类似于体内的三组分系统对实现与体内肾小球滤过率相似的选择性滤过率至关重要（图2G）。这些结果表明通过薄而多孔的细胞改性 SF 膜分隔的两层细胞--肾小球上皮细胞和内皮细胞的协同作用。

尿素是肾小球滤过过程中的另一种重要分子，但在芯片肾小球模型中却经常被忽视。尿素是一种小分子（60 Da），由有毒的细胞代谢废物分子氨在肝脏中分解形成。在肾脏中，尿素穿过肾小球滤过屏障，随尿液排出体外。我们评估了尿素在超薄膜器官芯片设备中的过滤情况，发现尿素的清除率高于菊粉和白蛋白：尿素（60 Da），清除率为 11%；菊粉（3 至 5 kDa），清除率为 7%；白蛋白（66.5 kDa），清除率为 0.5%（图 2H）。这些结果证明了该装置的大小选择过滤功能。慢性肾病患者的尿素过滤功能会受到影响，从而导致尿毒症，如果不及时治疗，这是一种致命的疾病。透析可帮助晚期慢性肾病患者清除尿素。美国国家肾脏基金会的透析指南建议Kt/V≥1.2，URR≥65%。在我们的设备中，Kt/V 达到了 1.8，URR 为83%，超过了推荐值，这表明超薄膜器官芯片设备可以去除尿素并达到透析标准。因此，我们预计在未来的工作中，该装置可作为一种潜在的血液过滤装置，用于去除尿素和其他尿毒症毒素。总之，这些选择性分子过滤结果表明，超薄膜器官芯片设备具有类似人类肾小球的尺寸选择性分子过滤功能。

3 肾小球芯片中准确评估药物诱导的肾毒性

肾小球疾病与各种风险因素有关，包括药物毒性、遗传、细菌和病毒感染以及患者的生活方式。在超薄膜器官芯片芯片中重现肾小球损伤表型将为药物发现和机理研究提供一个宝贵的平台。化疗药物阿霉素（ADR）会导致患者急性肾小球损伤，我们通过在设备的血管通道中模拟静脉给药，测试了肾小球芯片是否能重现肾毒性。在暴露于临床相关剂量的 ADR（0.5 μg/ml）3 天后，肾小球 bioMF OOC 装置出现了细胞表型受损和滤过功能异常。经 ADR 处理的芯片中的足细胞失去了足突，与对照组[二甲基亚砜（DMSO）处理的芯片]相比，足细胞的轴化程度降低，并表现出不明显的细胞-细胞边界（图 3A），这些都是受伤肾小球的特征。这些观察结果得到了荚膜蛋白表达模式改变的支持；在 ADR 处理的芯片足细胞层中不再观察到丝状荚膜蛋白分布模式，足细胞在该层中明显减少（图 3，A 和 B）。这些观察结果与之前的研究结果一致，即 ADR 引起的荚膜损伤导致荚膜足突脱落。相比之下，内皮细胞在 ADR 处理后保持了其结构和 VE-cadherin 表达（图 3C），成功模拟了肾小球中观察到的细胞类型对 ADR 的特异性敏感性。

图3. 肾小球芯片中模拟药物诱导的肾毒性。

芯片经 ADR 处理后，过选择性分子过滤也受到影响。ADR处理组的菊粉和白蛋白清除率都明显高于 DMSO 处理的对照组（图3，D 和 E），表明暴露于药物后白蛋白尿开始出现，大小选择性过滤功能丧失。这些结果模拟了急性肾损伤微量白蛋白尿的临床指标，其中观察到患者尿液中的白蛋白升高。在芯片中显示药物诱导的肾毒性表明它们有能力再现损伤刺激下的病理生理结果。因此，肾小球芯片平台可用于筛选肾毒性药物、研究疾病机理和发现新的候选疗法。

4 用hiPS细胞诱导栅栏状肾小球内皮细胞

由于用于组织包埋和加工的弹性 PDMS 和刚性固化树脂之间存在材料机械性能不匹配，因此 OOC 通常难以进行高分辨率电子显微镜切片。本研究中开发的含超薄 SF 膜的芯片可轻松进行显微切片，用于高倍组织表征和细胞形态特征的分析（图 4A）。

图4 高分辨率电子显微镜分析工程化肾小球生物滤膜装置的组织特异性表型。

高分辨率透射电子显微镜（TEM）分析证实，在肾小球芯片中传播的足细胞和内皮细胞在SF膜的相对两侧形成了各自的组织层，形成了类似于体内肾小球滤过屏障的三明治式三层组织结构（图4B）。在肾小球芯片中，荚膜形成了长长的突起（足突；图 4C 左图中红色箭头所示）。耐人寻味的是，一些荚膜脚突起包裹了工程 SF 膜，并缠绕在单个电纺 SF 纳米纤维上，形成二级和三级脚突起（图 4C 中部图像中的绿色箭头），表明细胞附着力强，并与 SF 膜相互作用（图 4C 右部图像中的橙色箭头）。

初级、二级和三级足突的形成表明足细胞表型已经成熟，能够与邻近细胞的足突形成相互连接，从而促进肾小球过滤。SF 膜显示出很高的孔隙率（SF 膜横截面上 55.9% 的空隙/孔面积），相互连接的孔隙有利于营养物质和信号分子在工程肾小球滤过屏障上的扩散和运输。尽管孔隙率很高，但足细胞和内皮细胞仍粘附在各自的 SF 膜表面，没有向邻近组织渗入。这一观察结果准确地再现了体内健康肾小球滤过屏障的结构组织和特征，即足细胞和内皮细胞彼此靠近，但仍位于超薄肾小球基底膜的两侧或表面。超薄肾小球基底膜将足细胞和内皮细胞置于近端，从而实现了细胞间的交叉对话，并形成了类似于体内的组织-组织界面。

我们发现，hiPS 细胞衍生的内皮细胞只有在与芯片中的足细胞接口时才会出现栅孔（图 4，B 至 D）；约 40% 的内皮细胞体构成了特征性的空洞样栅孔形态。没有足细胞的内皮细胞在芯片中繁殖时未能形成在体内观察到的高度特化的栅栏状结构（图 4E）。通过量化已分化内皮细胞中每个像素的栅栏数量，我们发现当内皮细胞与足细胞共培养时，栅栏样结构的数量明显高于没有足细胞时（图 4F）。为了直观地突出 SF 膜上形成的不同细胞层和由此产生的组织，我们生成了图 4（B 和 E，中）（图 4，G 和 H）所示 TEM 显微照片的伪彩色版本。这些伪彩色图像显示了内皮细胞与芯片中的足细胞形成的栅栏。

栅栏是肾小球内皮的一个重要形态特征，在体内由内皮细胞通过血管内皮生长因子受体 2（VEGFR2）与足细胞分泌的血管内皮生长因子 A（VEGF-A）相互作用诱发。随后磷脂酰肌醇 3- 激酶信号的激活和内皮细胞细胞骨架的重新排列使栅栏得以发育。耐人寻味的是，从分化的 hiPS 细胞体外诱导这种组织特异性内皮表型的方法尚待探索。本研究中生成这种特异性细胞类型的能力表明，芯片中足细胞和内皮细胞的接近性支持强大的细胞间通讯，从而形成组织-组织界面和组织特异性形态发生。

为了探索芯片中足细胞和内皮细胞之间是否存在 VEGF-A 信号传导，我们检测了装置中足细胞和内皮细胞中 VEGF-A 的表达（图 5，A 和 B）。当足细胞与内皮细胞共培养时，我们观察到足细胞中 VEGF-A 的表达（图 5B），但当装置中只培养足细胞或只培养内皮细胞时，细胞不能形成汇合单层，足细胞中 VEGF-A 的表达很低或接近背景水平（图 5B）。这些结果表明，芯片中足细胞和内皮细胞的共培养会导致特化细胞表型的形成，足细胞和内皮组织层之间跨越超薄 SF 膜的相互作用会促进足细胞的成熟和 VEGF-A 的产生，从而促进肾小球内皮细胞的特化。我们对细胞内 VEGF-A 的表达及其分泌到芯片中可溶性介质的情况进行了量化。顶部通道中的 VEGF-A 浓度约为 14 ng/ml（图 5C），表明足细胞分泌了 VEGF-A。同时，尽管内皮细胞层细胞内 VEGF-A 表达水平极低（图 5B），但在血管通道流出液中检测到的 VEGF-A 浓度约为 2.5 纳克/毫升（图 5C）。相比之下，仅在细胞培养基（背景培养基或未接触细胞的培养基）中检测不到 VEGF-A（图 5C）。这些数据共同强调了超薄膜器官芯片的功能特性，其中包括足细胞产生和分泌 VEGF-A。血管通道中可溶性 VEGF-A 的存在以及内皮细胞中栅栏的形成表明，芯片支持足细胞产生 VEGF-A，以及足细胞和内皮细胞之间的交叉对话，从而从未分化的 hiPS 细胞衍生的普通血管内皮细胞群中诱导出特化的肾小球内皮表型。因此，这种超薄膜器官芯片系统可用于研究肾小球滤过屏障和其他器官模型中跨基底膜的细胞间信号传导。

图 5 揭示工程芯片肾小球中的细胞间交互。

5 讨论

在这项研究中，我们在动态微流体系统中整合了超薄蚕丝SF膜，将两个组织层（肾小球上皮细胞和血管内皮细胞）连接在一起，从而设计出一种超薄膜器官芯片。由此产生的装置可支持hiPS 细胞衍生的肾小球细胞、足细胞和血管内皮细胞的分化和繁殖，从而生成同种异源的人肾小球芯片，该芯片表现出与活体类似的细胞结构、组织结构、ECM重塑和分子过滤功能。有趣的是，我们观察到 SF 膜支持循环机械拉伸（见下视频），这表明SF 膜可以承受生理水平的机械应变，这可能是后续研究的一个主题，特别是在将来应用这种新的芯片上器官系统来模拟肺功能或器官间通信和交叉对话时。我们还展示了该装置在模拟肾小球损伤和蛋白尿疾病方面的实用性。SF 膜的多孔结构支持周围足细胞和内皮细胞分泌的基底膜蛋白的整合，从而产生了一个与生理相关的支架，可用于长时间的组织培养、分化和成熟。这种超薄（3.5μm厚）的膜可用于显微切片，以进行高分辨率的 TEM 分析，而使用基于PDMS 膜的 OOC 设备进行这种分析具有挑战性，因为显微切片刀片无法轻易切开嵌入树脂的厚而有弹性的PDMS 膜。TEM分析表明，当足细胞和内皮细胞在SF膜的对立面共培养时，肾小球生物MF装置支持组织-组织界面的形成，其中非特化血管内皮细胞形成栅孔，模仿了体内肾小球内皮细胞独特的形态和功能特征。

未来的研究可利用这一平台深入了解发育和细胞命运决定的机制，包括细胞内囊泡的作用及其聚集和融合在细胞胞质中形成开口的作用。在体内重现类似足细胞-内皮细胞交叉对话和栅栏发育的能力将有助于阐明特定信号通路的破坏改变组织特异性内皮功能和影响疾病进展（如药物诱导的肾毒性、病毒感染和致病基因突变）的机制。由于这里使用的电纺丝方法可以生产出不同厚度的膜，因此未来的工作可能涉及调节SF 膜的厚度，以研究其对细胞生理学和组织-组织交叉对话的影响，并研究基底膜厚度在肾脏疾病和器官衰竭中的作用。例如，可能存在一个最佳的SF 膜厚度，以在不同组织和器官中实现类似于活体的细胞反应。此外，由于肾小球基底膜增厚是多种肾小球疾病[如膜性肾病、糖尿病肾病和局灶节段性肾小球硬化症的标志，因此了解膜厚度如何影响足细胞-内皮细胞的交叉对话可提高对肾病机制的认识，并有助于确定以前未确定的治疗靶点。

6 小结

本研究中，科学家们利用仿生超薄膜和人类诱导多能干细胞，设计了一种肾小球芯片，它能重现肾小球的形态发生和屏障功能。由此产生的芯片由近似上皮-内皮组织界面组成，重构了健康肾脏和患病肾脏的选择性分子过滤功能。此外，在超薄膜器官芯片系统中，人类多能干细胞通过跨超薄膜的活体旁分泌信号，成功诱导出栅栏状内皮。因此，该装置为人类肾脏特异性形态发生和功能建模提供了一个动态组织工程平台，使干细胞分化、器官生理学和病理生理学的机理研究成为可能。

Reference：Xingrui Mou et al.,An ultrathin membrane mediates tissue-specific morphogenesis and barrier function in a human kidney chip.Sci. Adv.10,eadn2689(2024).DOI:10.1126/sciadv.adn2689