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同济大学科研团队研究成果发表于《蛋白质与细胞》,为肾脏再生医学疗法带来希望
2021-01-13 09:00
同济大学
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  1月9日,同济大学医学院左为教授团队与解放军总医院肾脏病医学部陈香美院士、蔡广研教授团队合作,在《蛋白质与细胞》(Protein & Cell)期刊在线发表题为“Single-cell RNA-Seq analysis identified kidney progenitor cells from human urine”的论文,首次系统绘制了尿液单细胞图谱,从中鉴定得到SOX9+肾前体细胞。这群来源于肾小管上皮层的SOX9+细胞能够从健康人和慢性肾病患者的尿液中分离并扩增,并可被移植到小鼠肾内,具有重建肾小管结构、修复肾脏损伤的作用。

  急慢性肾脏疾病导致的肾功能衰竭严重威胁人类健康,困扰着全国近1.5亿肾病患者。传统的药物治疗和透析治疗难以逆转肾脏结构的损伤和肾功能的持续下降。在此情况下,除了异体肾移植手术外,基于成体组织干细胞(前体细胞)移植的再生医学新技术有望为临床上治疗这类疾病带来新的思路。

  为了研究人尿液中各种细胞类型的组成和作用,研究团队采集了健康成年人尿液进行单细胞测序分析,最终利用单细胞测序技术从尿液中鉴定到了7种细胞类群,包括4种不同类型的免疫细胞群体和3种泌尿系统来源的上皮细胞群体。上皮细胞群体包括NPHS2+肾小球足细胞、KRT8+PSC-肾小管细胞和KRT8+PSCA+泌尿道上皮细胞等。对于KRT8+PSC-肾小管细胞群体,研究团队进一步将其来源细分至肾小管各段。经鉴定,在该群体中存在大量来源于集合管的细胞,此外也存在来源于近端肾小管、亨利氏袢,及远端肾小管的细胞类型。同样,对于KRT8+PSCA+泌尿道上皮细胞,研究人员也通过分析发现其中主要的细胞亚群是覆盖在泌尿道表面的KRT18+伞形细胞上。研究团队还重点关注了健康成年人尿液中是否存在参与组织修复与再生的细胞群体。结果显示:尿液细胞群体中有约1.9%的SOX9+细胞,这群细胞主要来源于肾小管。通过拟时序分析研究细胞轨迹,研究团队发现这群SOX9+细胞同时具有SOX4+/Notchhigh表型,且可分为“Podocyte branch”和“Tubular branch”两个分支,从而提示SOX9+细胞是尿液中存在的具有自我更新和分化潜能的肾前体细胞。

尿液单细胞图谱及尿液中肾前体细胞的分离培养

  随后,研究团队利用开发的成体上皮干细胞培养体系,成功地从健康人和慢性肾病患者的尿液中分离并长期培养了上述SOX9+肾前体细胞。转录组分析测序证实分离到的SOX9+肾前体细胞能够高表达多种干细胞特征基因,而不表达成熟的肾小管和肾小球上皮特征基因。这群细胞具有自我更新能力,最长可在体外培养6个月、传代25次以上的条件下,保持其基因组的稳定性。

  值得一提的是,研究团队把从健康人或慢性肾病患者尿液中分离的细胞进行GFP绿色荧光蛋白标记后,移植到损伤小鼠的单侧肾脏中。14天后,在小鼠肾内观察到大面积外源性人源细胞整合,成功构建出了“人-鼠嵌合肾”。这些GFP+细胞在损伤的区域形成了类肾小管的管状腔体结构,且表达不同分段的肾小管特征基因,如PAX8、ATP1A1、SLC22A6和UMOD等。对于接受了细胞移植的肾损伤小鼠,研究人员把带有红色荧光标记的小分子葡聚糖经静脉注射到其血液循环中,发现这种葡聚糖在GFP+人源肾小管结构中聚集,说明由移植的人源肾前体细胞分化形成的近端小管有功能性地与小鼠自身的肾小球过滤系统相连。

GFP+人源肾前体细胞肾内移植构建“人-鼠嵌合肾”,修复肾损伤

  该研究最大亮点在于其临床转化价值。一方面,尿液单细胞图谱的构建将有助于今后开发无创的肾脏细胞学检测技术,与当下常用的肾脏活检技术互为补充,为复杂肾脏疾病的诊断和靶向治疗提供支持。另一方面,团队成功地在健康人和慢性肾病患者的尿液中鉴定、分离和长期培养了具有肾再生潜能的SOX9+肾前体细胞类群,解决了供体细胞的来源问题,并建立了肾内细胞移植平台技术,这一成果为肾脏的再生医学疗法带来了新希望。

  左为团队的特色在于其在干细胞领域具有从基础研究到临床试验的全链条转化研究能力。该团队长期致力于肺干细胞相关的基础研究工作(Zuo,Nature,2015;Ma,Protein Cell,2018;Zhou,EMBO Mol Med,2020;Zhao,AJRCCM,2020),接连获得一系列重大突破。而基于此开展的临床转化项目从2017年迄今为止已被国家卫健委备案批准用于治疗间质性肺病、慢性阻塞性肺病和支气管扩张症的临床研究,2020年7月被国家药监局正式批准作为全球首创一类新药用于治疗特发性肺纤维化的临床试验(批件号CXSL1900019)。下一步,左为团队计划与专业临床团队合作,利用人自体肾前体细胞移植方法,结合细胞肾内注射的技术,对慢性肾脏病肾小管损伤的患者开展细胞治疗的探索性临床研究。

  该研究主要受两项国家重点研发计划“干细胞及转化研究”专项 (“人类上皮组织再生机制研究”左为;“干细胞治疗重症急性肾损伤的临床研究”蔡广研) 及吉美瑞生公司资助。同济大学医学院王宇嘉博士、硕士生赵宇和博士生赵子贤为该论文的共同第一作者。南方医科大学聂静教授、上海瑞金医院冯晓蓓医师为论文作出了重要贡献。

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