华盛顿大学医学院肾脏病学系医学助理教授本杰明·弗里德曼(Benjamin Freedman)领导了这项研究，他说，这项进展有望大大扩大微型器官在基础研究和药物发现中的应用。弗里德曼说:“这是我们对抗疾病的一个新的‘秘密武器’。”弗里德曼是华盛顿大学干细胞和再生医学研究所的科学家，也是西北肾脏中心和华盛顿大学医学合作的肾脏研究所的科学家。
弗里曼解释说，生物医学研究中培养细胞的传统方法是将细胞培养成平面的二维薄片，这种方法过于简单。近年来，研究人员越来越成功地将干细胞培育成更复杂的三维结构，称为微型器官或类器官。这些器官类似于基本器官，在许多方面表现相似。虽然这些特性使类器官成为生物医学研究的理想对象，但它们也对大规模生产构成了挑战。据开发人员称，大规模生产类器官的能力是这种新型机器人技术最令人兴奋的潜在应用。
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在这项新的研究中，研究人员使用了一个机器人系统来自动化将干细胞培养成类器官的过程。尽管类似的方法已成功应用于成人干细胞，但这是首个从多能干细胞成功自动化制造类器官的报告。这种细胞类型是万能的，能够成为任何类型的器官。
在这一过程中，液体处理机器人将干细胞引入含有384个微型孔的培养皿中，然后在21天的时间里诱导它们变成肾脏类器官。每个微孔通常包含10个或更多的类器官，每个培养皿包含数千个类器官。机器人的速度足以让亨利·福特(Henry Ford)的汽车装配线刮目相看，它们可以在很短的时间内生产出许多板材。
弗里德曼说:“一般来说，仅仅是建立一个这样规模的实验，研究人员就需要花一整天的时间，而机器人只需20分钟。”他补充说:“最重要的是，机器人不会疲劳，也不会出错。”“这是毫无疑问的。对于这种重复、乏味的任务，机器人比人类做得更好。”
研究人员进一步训练机器人处理和分析他们生产的类器官。哈德和她在密歇根大学肾脏中心的同事们使用一种被称为单细胞RNA测序的自动化尖端技术来识别在类器官中发现的所有不同类型的细胞。密歇根大学医学院肾脏病学部内科助理教授Jennifer Harder博士说:“我们确定这些类器官确实类似于正在发育的肾脏，但它们也含有以前没有在这些培养中被鉴定过的非肾细胞。”
弗里德曼说:“这些发现让我们对这些类器官的性质有了更好的了解，并为我们提供了一个改善的基线。”“这个高吞吐量平台的价值在于，我们现在可以在任何时候以许多不同的方式改变我们的流程，并迅速看到哪些改变产生了更好的结果。”
为了证明这一点，研究人员发现了一种方法，可以大大增加类器官中血管细胞的数量，使它们更像真正的肾脏。研究人员还利用他们的新技术来寻找可能影响疾病的药物。在其中一个实验中，他们产生了突变的类器官，导致多囊肾病。多囊肾病是一种常见的遗传性疾病，全世界每600人中就有1人患病，经常导致肾衰竭。
在这种疾病中，肾脏和其他器官中的微小管道像气球一样膨胀，形成膨胀的囊肿，排挤健康组织。在他们的实验中，研究人员将多囊肾病的类器官暴露在一些物质中。他们发现，一种叫做blebbistatin的因子可以阻止一种叫做肌球蛋白的蛋白质，从而导致囊肿的数量和大小显著增加。Freedman说:“这是出乎意料的，因为肌球蛋白还不知道与PKD有关。”肌球蛋白以其在肌肉收缩中的作用而闻名，它可能允许肾小管扩张和收缩。弗里德曼解释说，如果它不能正常工作，可能会导致囊肿。他说:“这绝对是我们将关注的一个途径。”
来源:华盛顿大学
