신장 오가노이드를 이용한 질병 모델링 Ⅱ

4. 신장 오가노이드 플랫폼 개선 전략

현재 신장 오가노이드 전시신장 관련 구조하지만 닮지는 않았어기능성 성인 신장. 따라서 섹션에 설명된 프로토콜은2.2 조직을 통한 체액 흐름을 포함하여 생체 내와 유사한 생물물리학적 환경이 부족한 신장 오가노이드를 생성합니다. 최근 연구에서는 이식과 같은 기술을 사용하고 다양한 오가노이드 유형을 결합하여 더 높은 수준의 신장 구조를 달성함으로써 성인 신장과의 오가노이드 유사성을 개선했습니다. 이러한 기술은 오가노이드 성숙을 탐색하고 개선하기 위해 생명공학 접근법과 결합될 수 있습니다. 아래에서는 이러한 전략을 강조하고 차세대 생성을 위한 새로운 고려 사항에 대해 논의하겠습니다.신장 유기체 시스템. 

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4.1. 그라디언트 소개

우리는 정상적인 배 발생 동안 중신, 메타네프로스 및 UB가 서로 신호를 보내 발달 중인 신장의 패턴을 형성한다는 것을 알고 있습니다[6]. 또한, 초기 배아에서 확립된 생화학적 구배는 적절한 신장 패턴화 및 발달을 지시하는 데 필수적입니다[47]. 현재 신장 오가노이드 개발 프로토콜의 중요한 문제는 발달 중에 다른 신체 조직으로부터 분리되어 배아의 다른 공동 개발 조직 시스템과의 상호 작용을 통해 확립된 생화학적 구배가 부족하다는 것입니다. 따라서 오가노이드 개발에 이러한 상호 작용을 포함시키는 것이 가치가 있습니다. Taguchi 및 Nishinakamura(2017) 및 Tsujimoto et al. (2020)은 오가노이드 성숙을 촉진하기 위해 이러한 상호작용 중 일부를 고려했습니다[17,24]. 그들의 전략에서 그들은 먼저 PIM 및 AIM 특정 인자를 사용하여 독립적인 오가노이드를 개발한 다음 공동 배양된 MM 및 UB 오가노이드를 마우스에 이식했습니다[17,24]. 이러한 방식으로 개발된 신장 오르가노이드는 고차 구조를 나타내었지만 생체 내에서 유사한 UB 분기를 광범위하게 재현할 수는 없었습니다. 이러한 연구는 인접 조직을 공동 배양하는 것의 중요성을 강조하지만, 오르가노이드 발달 시작부터 포함된 확립된 구배를 통해 오르가노이드의 개선을 요구합니다.

발달 중인 배아의 모든 조직을 포함하고 그 조건을 최적화하는 것은 거의 불가능하므로 세포가 이웃 조직의 영향을 경험하는 환경 시뮬레이션을 제안합니다. 이는 세포를 성장시키기 위한 생화학적 구배를 조작함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 구배는 이웃 조직의 존재를 모방할 수 있습니다. 그런 다음 구배는 동일한 세포 현탁액 내에서 AIM 및 PIM 계통을 모두 지시하여 UB 및 MM 형성을 동시에 유도할 수 있습니다. 예를 들어, GDNF 구배를 설정하고 MM 내에서 UB 분기를 진행하여 성인 신장의 복잡한 집합관 시스템의 형성을 유도할 수 있습니다.

이러한 그라데이션 기반 접근법은 신장 오르가노이드를 확립하기 위해 연구되지 않았지만 다른 오르가노이드의 성숙을 개선하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, Ben-Reuven 및 Reiner et al. (2020)은 뇌 유기체의 전후 축 패턴을 형성하는 데 도움이 되도록 하이드로겔에 모르포겐 방출 비드를 내장했습니다[48]. 또 다른 연구에서는 Kamperman et al. (2019)은 비오티닐화된 모르포겐을 갖는 세포 기질을 확립했습니다[49]. 이러한 정적 접근 방식 외에도 연구자들은 동료 구동 모르포겐(morphogen) 첨가 기능을 갖춘 미세유체 칩도 개발했습니다. 예를 들어, Cui et al. (2020)은 모르포겐 분포를 위한 주화성 챔버가 있는 챔버와 줄기 세포가 하이드로겔에서 배양될 수 있는 챔버를 사용했습니다[50]. 따라서 연구자들은 효과를 중재하기 위해 공간적으로 제어되는 특정 요소를 사용하여 신장 오가노이드 발달을 프로그래밍하기 위해 유사한 시스템을 적용할 수 있습니다. 이는 구배를 설정하고 배아 신장 발달과 관련된 자연 발생 모르포겐 분포를 모방합니다. 예를 들어, AIM 및 PIM 분화에 특정한 요소를 가진 비드는 천연 AIM-PIM 그라데이션을 모방하기 위해 하이드로겔의 반대편에 시드될 수 있습니다. 대안적으로, hiPSC 분화를 제어하기 위해 세포 또는 오르가노이드를 미세유체 장치에 시딩하여 서로 다른 계통의 세포/오르가노이드가 반대쪽에 있도록 할 수 있습니다(그림 5A 참조). 하이드로겔에 내장된 HiPSC는 이러한 두 구조 사이에서 배양될 수 있으며, 이는 형태 형성 인자의 소스 역할을 할 수 있습니다. 이 접근법은 현재 신장 오르가노이드 프로토콜이 설정에 부족한 메소네프로와 메타네프로 사이의 상호 작용을 모방하는 데 활용될 수 있습니다(그림 5A 참조). 따라서 향후 연구는 UB와 MM 사이는 물론 발달 중인 신장과 혈관계 사이를 포함하여 신장 발달과 관련된 여러 조직 유형의 생화학적 신호를 모방하는 것을 목표로 해야 합니다. 관련 시스템 설계에서는 이러한 상호 작용을 모방하기 위해 기울기를 설정하는 옵션을 탐색할 수 있습니다.

4.2. 미세유체공학을 이용한 오르가노이드 관류

유체 흐름은 다음과 같은 경우에 매우 중요합니다.신장 생리학왜냐하면 그것은 기계적 감지에 반응하여 일련의 세포내 사건을 시작하고 조직을 통한 수송을 촉진하기 때문입니다[51]. 따라서 기능성 신장 오가노이드를 생성하고 장기간 유지하려면 안정적이고 관류 가능한 혈관 네트워크를 오가노이드 모델 시스템에 통합해야 합니다. 유체 흐름은 미세유체공학과 이식이라는 두 가지 주요 방식으로 신장 오가노이드에 도입되었습니다. Homanet al. (2019)은 3D 바이오 프린팅 칩에 생물물리학적 신호를 포함했으며, 여기서 오가노이드가 동적 유체 흐름이 있는 챔버에서 배양되었습니다[52]. 이 설정은 미세유체 동료를 시뮬레이션하고 혈관 네트워크 형성을 촉진했지만 신장 생리학을 복제하기 위해 혈관 및 세뇨관 구조를 통한 관류를 재현하지는 못했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 오가노이드 성숙에서 생물물리학적 환경의 중요성을 강조했습니다.

그림 5. 신장 오가노이드 플랫폼에 대한 개선 제안. (A) hiPSC가 배양되어 신장 오르가노이드로 진화할 수 있는 구배를 생성하는 접근 방식. 왼쪽에서 오른쪽으로: 모르포젠 방출 비드가 측면에 있는 하이드로겔의 iPSC 클러스터, 모르포겐 방출 오가노이드가 측면에 있는 하이드로겔의 hiPSC 클러스터, 하이드로겔에서 배양되고 포함된 NP 및 UB 계통의 모르포겐에 양측으로 노출된 hiPSC 클러스터가 있는 다중 챔버 칩 시스템 액체에. (B) 분기 내피 채널 옆에 신장 오르가노이드를 배양하고 하이드로겔(예: 콜라겐 매트릭스)을 통과하는 칩 시스템을 제안했습니다. (C) 신장 오르가노이드를 성장시키고 이후에 이식할 수 있는 제안된 스캐폴딩 설정. 왼쪽에서 오른쪽으로: 분기 내피 채널(빨간색), 시드된 신장 오가노이드 및 시드된 모르포겐 비드(빨간색 및 파란색 구체)가 있는 다공성 비계; UB 오르가노이드를 둘러싼 NP 오르가노이드가 있는 다공성 스캐폴드

우리는 다른 회전타원체 시스템에서 수행된 것처럼 인간 신장을 모델링하기 위해 채널형 미세유체 장기-온-칩 플랫폼에서 오가노이드를 개발할 수 있다고 믿습니다. 예를 들어, Homan et al. (2019), 유체 동료 챔버에 오가노이드를 배치한 Nashimoto et al. (2017)은 두 개의 내피 채널 사이의 세포외 기질(ECM)에서 인간 폐 섬유아세포 회전타원체를 배양했습니다[52,53]. 채널은 혈관신생을 통해 형성된 관류성 혈관 네트워크를 발생시켰습니다. Nashimoto et al.과 다소 유사한 접근 방식을 사용합니다. (2017)에서는 그림 5B[53]와 같이 칩에 내장될 수 있는 관류 가능한 내피 혈관 옆에 hiPSC 클러스터를 배치할 것을 제안합니다. 이후 신장-오르가노이드 특이적 신호가 추가되면 혈관 채널이 분화되기 시작하면서 가지로 향하고 오르가노이드를 침범할 수 있습니다. 이 구성은 신장 발달의 초기 단계를 복제합니다[54]. 신장 발달에 필요한 형태발생 신호의 지속적인 관류를 통해 신장 오가노이드는 실제 인간 신장 형성 과정을 더 잘 복제할 수 있어야 합니다. 유체 동료 스트레스, ECM 구성 및 구성, 오가노이드 단계와 같은 시스템 매개변수를 신중하게 고려하고 최적화하는 것도 중요합니다. 또한 Schumacher et al. (2021)은 저산소증이 신장 오가노이드의 혈관 신생을 증가시키는 것으로 나타났으며, 이러한 생체 외 시스템은 산소가 감소된 상태에서 배양되어 혈관 신생을 보다 효율적으로 유도할 수 있습니다[55]. 궁극적으로 이러한 전략은 오가노이드 성숙을 촉진하고, 혈관 및 관류 관류를 요약하고, 생체 내에서 발생하는 생리학적 기능을 수행해야 합니다.

4.3. 이식을 통한 오가노이드 성숙 촉진

연구에 따르면 신장 오가노이드를 마우스, 닭알 또는 쥐와 같은 숙주에 이식하면 혈관신생을 위한 실행 가능한 경로를 제공할 수 있는 것으로 나타났습니다[16,33,56]. 그러나 이식된 오가노이드는 기능적 구조로서 제한적인 성공을 보입니다. 이 전략의 주요 장애물은 이식된 오르가노이드의 MM 내에서 광범위한 UB 분기를 요약하는 것입니다. 또한, 오가노이드 내의 네프론 세그먼트는 집합관을 향한 적절한 방향이 부족합니다. 이러한 특징은 이식된 오가노이드가 성인 인간 신장의 기능을 수행하는 데 필수적입니다. 더욱이, 이식 후 오르가노이드는 숙주와 통합되어 오르가노이드 대 숙주 조직 경계를 구별하기 어렵게 만들고 따라서 오르가노이드 특이적 분석을 제한합니다.

조직 공학 전략은 다음을 위한 광범위한 도구를 제공합니다.신장 오가노이드 발달 개선성숙과 기능적 통합 측면에서. 일반적으로 조직 공학 접근법은 필름, 매트, 하이드로겔 및 스폰지와 같은 다양한 구성의 지지체(예: 실크 피브로인 지지체)를 사용하여 세포 배열을 지원하고 원하는 문제에 대한 다양한 생물물리학적 단서를 요약합니다. 예를 들어, 한 연구에서 Gupta et al. (2019)은 다공성 실크 지지체를 사용하여 오가노이드를 성장시킨 후 이식했습니다[31]. 이 접근법에서, 스캐폴딩 생체재료 및 구성은 오가노이드 발달을 지원하고 이식 시 안정성을 부여하는 프레임워크를 제공했습니다. 그러나 이 시스템에는 다른 개발 구조에 근접한 동료와의 혈관계 공동 개발과 같은 오가노이드 성숙을 지원하는 기능적 단서가 부족했습니다.

향후 연구에서는 유사한 전략을 개발하고 오가노이드 성숙을 지원하는 기능적 신호를 포함할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 5C에 설명된 대로 다공성 스캐폴드는 관류 가능한 채널로 구성되고 형태학적 요인으로 로드되어 이식을 통해 관련 오르가노이드 개발 시스템을 개발할 수 있습니다. 내피 세포를 미리 시딩하면 직접적인 혈관 발달을 지원할 수 있는 반면, 개방형 다공성 구조는 hiPSC로 시드하고 오가노이드 발달을 위한 형태발생 인자를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. 대안적으로, 신장 조직에서 분비된 세포외 기질(ECM)은 그 자체로 신장 오가노이드의 조직 공학을 위한 발판 재료 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 세포가 제거된 신장은 오르가노이드의 성숙을 지원하는 데 사용되었습니다. 이러한 매트릭스는 오가노이드를 배양 및 이식하거나 해당 생체 재료로부터 조직 공학 지지체를 파생하는 데 사용될 수 있습니다.

또한, 스캐폴드는 선택한 위치에 여러 유기체 계보를 함께 포함할 수 있는 미개척 기회를 제공합니다. 예를 들어 Taguchi 및 Nishinakamura(2017) 및 Tsujimoto et al. (2020)은 UB 및 NP 오가노이드를 모두 이식하여 혈관화를 허용했습니다[17,24]. 그러나 다계통 오르가노이드의 방향을 정할 수 있는 세포외 비계가 부족했습니다. 지지체를 활용함으로써 우리는 지지체 중앙과 바닥에 UB 오르가노이드의 방향을 지정하여 단일 수집 구조 주변의 네프론 생성을 모방할 수 있었습니다. 동시에 외부를 따라 NP 오르가노이드를 시드할 수 있습니다(그림 5C 참조). 유사한 조직 공학 접근법을 개발하여 오가노이드 성숙을 촉진할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 오가노이드 이식을 위한 조직 공학 기반 접근 방식을 설계할 때 생체 재료의 구성 및 호환성과 같은 매개변수는 신장의 필요에 따라 모두 신중하게 선택되어야 합니다.

5. 결론

의 개발신장 오가노이드시험관 내에서 획기적인 발전이다신장 질환 모델링. 신장 유기체개별화된 학습이 가능하도록유전성 신장 질환인간 유래 플랫폼에서의 약물 스크리닝. 신장 오가노이드는 엄청난 가능성을 갖고 있지만 현재의 형태로는 미성숙하고 고립되어 있습니다. 진정한 모델이 되기 위해서는인간의 신장및 관련 질병이 있는 경우 신장 상호 작용의 발달을 요약하여 성숙시켜야 합니다. 특히, 우리는 시험관 내에서 UB와 MM 사이의 상호 작용을 발전시키고 인간 유래 혈관계를 신장 오가노이드에 도입해야 합니다. 우리는 또한 생체 내 인간 배아 발달을 병행하기 위한 기울기 기반 모르포겐 접근법을 고려해야 합니다. 신장 오가노이드는 성인 및 성인의 유전학 연구에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.태아 신장 질환및 약물 검사. 그들의 발전은 생명을 구하는 발전으로 이어질 수 있습니다신장 질환이전보다 더 빠르고 정확하게 치료할 수 있습니다.

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