3D打印“迷你肾脏”芯片，糖尿病肾病研究迎来突破性体外模型

糖尿病性肾病（DN）是由肾小球滤过屏障（GFB）功能逐渐丧失引起的，但现有的体外模型无法充分反映其多细胞结构和动态微环境。

基于此，哈尔滨医科大学团队研发了一种肾小球球体芯片（glomerular spheroid-on-a-chip），它将类类器官的细胞组织与微流控灌注相结合，以模拟DN的病理生理。该研究以题为“A microscale 3D printing glomerular spheroid-on-a-chip for modeling the pathophysiology of diabetic nephropathy"在期刊《Lab on a chip》在线发表。

通过将人系膜细胞（HMCs）——现有平台常被忽略的重要组成部分——与条件性永生化的人足细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）一同整合到三元共培养球体中，显著增强了工程化GFB的结构完整性和功能再现。一个简化且经济的微3D打印策略能够生成碗状PDMS微装置，用于固定球体，便于在动态灌注下受控横向扩展，从而建立具有独立血管和尿液区室的仿生GFB。

在糖尿病条件下，该平台可真实再现DN的关键病理特征，包括HMC增生、足细胞损伤及屏障通透性增加，同时直接揭示HMC对滤过屏障功能障碍的重要作用。此外，该系统支持小分子药物的疗效评估，显示其在机制研究和临床前药物筛选中的潜力。这项工作建立了一个多用途且可制造的平台，连接了静态的肾小球球体培养与动态、疾病相关的DN建模。

本研究将人肾小球系膜细胞（HMCs）引入足细胞‑内皮细胞三培养球状体，构建出更为完整的肾小球滤过屏障（GFB）模型；研究采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S240，精度：10μm）和PDMS翻模工艺制备碗形微流控芯片，实现球状体的稳定锚定与可控侧向扩展，搭建出同时具备血管极与泌尿极的仿生GFB。该平台可在高糖、棕榈酸干预条件下有效复现糖尿病肾病（DN）系膜扩张、足细胞损伤、屏障通透性升高等核心病理特征，直接证实HMCs在GFB功能障碍中的关键作用；同时平台能够用于异槲皮苷等小分子药物的药效评价，为糖尿病肾病机制探究与临床前药物筛选，提供了可实现标准化制备的高保真体外研究工具。

Figure 1展示肾小球球状体的自组装与结构成熟。光片荧光显微镜Z-stack成像显示足细胞（红色）分布于外层、HUVEC-EGFP（绿色）形成内皮样区域、HMCs位于中央/系膜样区域；三维重建证实这种空间组织部分模拟天然肾小球结构；扫描电镜显示球状体表面具有足突样形态、丰富细胞间接触和窗孔样结构。

Figure 2比较HMCs引入对细胞外基质、生长因子和黏附蛋白的影响。免疫荧光显示PEM球状体中COL4和LAMA5信号分布更广、组织化程度更高；qPCR证实PEM球状体COL4A1、COL4A4、COL4A5、LAMA5、VEGFA、FGF2、ZO-1和P-cadherin mRNA表达均显著高于PE球状体。

Figure 3呈现可灌注肾小球球状体芯片微流控平台的开发。3D打印模具及PDMS复制形成"三明治"结构芯片，中央基质胶通道两侧为血管极（碗形凹陷）和泌尿极；COMSOL模拟证实流速和营养分布均匀、表面牵引力低；球状体在Matrigel中形成稳定的新月形屏障，实现液室分隔。

Figure 4进行GFB完整性的多维表征与评价。活/死染色显示球状体在灌注1、4、7天均保持高活力（>95%）；TEER测量显示PEM组显著高于PE组；免疫荧光显示CD31阳性HUVECs和synaptopodin阳性足细胞在屏障区维持部分有序分布。

Figure 5构建并验证高糖诱导DN病理模型。免疫荧光显示DN模型ZO-1荧光减弱、COL4表达增强；渗透性实验显示DN组BSA通透性较对照组增加约4倍，而低分子量菊粉通透性无显著差异，表明屏障大小选择性滤过功能受损。

Figure 6开展基于肾小球球状体芯片的药物筛选可行性分析。CCK-8确定异槲皮苷（ISO）安全浓度为50μM；Western blot显示ISO处理可恢复DN球状体ZO-1表达、降低GLUT1过表达；BSA渗透性实验证实ISO显著降低DN组大分子渗漏，恢复屏障选择性滤过功能。