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腎臟，俗稱“腰子”，是人體泌尿系統(tǒng)中最重要的器官，對人類健康具有至關(guān)重要的作用。它的基本功能是生成尿液，清除體內(nèi)代謝廢物，重吸收葡萄糖、氨基酸、鈉離子、水等各類有用物質(zhì)，此外腎還具有調(diào)節(jié)血液電解質(zhì)和酸堿平衡，分泌激素等重要功能。
腎臟簡介
腎臟位于脊柱兩側(cè)，左右各一，紅褐色，形似蠶豆，表面光滑，每個腎的重量大概在100—200克，受肝臟影響，右腎一般比左腎略低1-2厘米。腎臟皮質(zhì)呈紅褐色，分為外緣和內(nèi)緣兩部分，腎外緣為凸面，內(nèi)緣為凹面，凹面中部為腎門，所有血管、神經(jīng)及淋巴管均由此進入腎臟，腎盂則由此走出腎外[1]。
圖1.腎臟的位置和結(jié)構(gòu)
腎單位是腎臟結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，由腎小體和腎小管組成，腎小體又由腎小球和腎小囊組成。每個腎臟約有一百多萬個腎單位，腎不能再生新的腎單位。腎單位是腎臟部位物質(zhì)交換和能量傳輸?shù)闹匾到y(tǒng)，包括腎小球濾過血液形成原尿，腎小管、集合管重吸收營養(yǎng)物質(zhì)和毛細血管物質(zhì)交換過程。因此，腎單位是腎臟微循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮作用的基本單位，對腎臟各功能的的正常運轉(zhuǎn)起著決定性作用。
圖2.腎單位示意圖[2]
腎臟的細胞分類
按照細胞類型，腎臟可以劃分出5類固有細胞，分別是系膜細胞（mesangium）、內(nèi)皮細胞（endothelium）、足細胞（podocyte）、腎小管上皮細胞和腎間質(zhì)成纖維細胞。
系膜細胞
系膜細胞對腎小球毛細血管具有支持和保護作用，它能調(diào)節(jié)毛細血管的收縮和舒張，通過平衡毛細血管的血流量，控制濾過膜的濾過功能。系膜細胞還具有吞食功能，可吞噬一些大分子物質(zhì)，包括殘留在基底膜上的沉積物。此外，系膜細胞還能合成分泌多種酶和生物活性物質(zhì)，參與基底膜的修復(fù)、免疫反應(yīng)、腎小球炎癥反應(yīng)等多種生理過程。
圖3. 腎小球切面上不同細胞的位置
系膜細胞受損會影響腎小球的有效濾過面積，影響腎臟的血液過濾功能；系膜細胞異常增生往往是腎小球硬化的前奏；此外系膜細胞上表達有多種免疫受體，其異常還會導(dǎo)致腎臟容易患上各類感染性疾病。
內(nèi)皮細胞
內(nèi)皮細胞具有維持腎小球毛細血管結(jié)構(gòu)完整的屏障功能，它是選擇性濾過屏障功能的第一道防線（70~100nm），具有抗凝、抗血栓形成和調(diào)節(jié)腎小球血流動力學(xué)的作用，此外內(nèi)皮細胞與系膜細胞一起參與基底膜的合成和修復(fù)。內(nèi)皮細胞受損后，其抗凝活性下降，導(dǎo)致外凝血微血栓的形成；它的細胞表型也會發(fā)生改變，會釋放一系列導(dǎo)致腎臟纖維化的細胞因子。
足細胞
足細胞是腎小球濾過屏障的一部分，相鄰足細胞突起之間形成柵欄狀的交叉，交叉之間的空隙稱為裂孔，裂孔直徑較?。?0nm），能阻隔大分子通過，起到機械屏障的作用；此外足細胞還能分泌帶負電荷的唾液酸糖蛋酶等物質(zhì)，起到電荷屏障的作用。足細胞是腎臟最容易出現(xiàn)病變的細胞，足細胞受損會導(dǎo)致裂孔閉塞，電荷屏障功能障礙，導(dǎo)致膜性腎病；嚴重的還會出現(xiàn)足細胞纖維化，進而導(dǎo)致腎小球硬化。
圖4.足細胞位置及形態(tài)[3]
腎小管上皮細胞
腎小管上皮細胞的主要生理功能有對原尿進行重吸收和稀釋，保持血液的電解質(zhì)平衡和酸堿平衡等。腎小管上皮細胞受損后會導(dǎo)致夜尿增多，電解質(zhì)紊亂，酸中毒等癥狀。
間質(zhì)成纖維細胞
間質(zhì)成纖維細胞具有維持腎臟正常結(jié)構(gòu)的功能，它參與構(gòu)成濾過屏障、同時還具有修復(fù)功能。間質(zhì)成纖維細胞是促使腎臟發(fā)生纖維化的關(guān)鍵細胞，病理情況下間質(zhì)成纖維細胞的異常增殖會產(chǎn)生大量細胞外基質(zhì)，進而導(dǎo)致整個腎臟的纖維化。
其它細胞類型
過去對腎細胞的分類主要是根據(jù)其功能、解剖位置或少量標記基因，現(xiàn)在隨著單細胞測序技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，腎臟單細胞測序的文章越來越多，鑒定出的細胞類型也越來越多。目前發(fā)現(xiàn)除了5類固有細胞外，腎臟中還有間充質(zhì)細胞、單核細胞、肥大細胞等多種不同細胞。
圖5.腎臟細胞分型[4]
南模生物在小鼠泌尿系統(tǒng)（包含腎臟）特定細胞類群marker基因中敲入Cre重組酶元件或報告基因，研究者可以對每類細胞進行標記，還可以在特定細胞群里進行基因及細胞功能的研究。具體模型信息見下表：
腎臟疾病及常用研究模型
對于腎臟疾病，我們往往有2個認識上的誤區(qū)。第一，雖然保健品廠家鋪天蓋地的宣傳腎好性功能好，但實際上兩者并無關(guān)聯(lián)；第二，腎臟疾病的發(fā)病率其實很高，全球平均每十個人中就有一個慢性腎病患者，僅我國就有1億多人。腎病已成為繼心腦血管疾病、腫瘤、糖尿病之后，人類生命健康面臨的主要威脅之一。下面小編為大家介紹幾種常見的腎臟疾病和相應(yīng)的研究模型。
IgA腎小球腎炎
免疫球蛋白A（IgA）腎病是世界范圍內(nèi)最常見的原發(fā)性腎小球疾病，也是我國最常見的腎小球疾病，占原發(fā)性腎小球腎炎的30%-40%。IgA腎病可表現(xiàn)為各種臨床綜合征，包括無癥狀性血尿或蛋白尿、慢性腎小球腎炎、急進性腎炎或腎病綜合征。IgA腎病的病理機制還未完全明確，目前被廣泛接受的理論認為，IgA腎病是多種機制共同導(dǎo)致的，而非單一機制，被稱為“多重打擊假說”，此假說有4個環(huán)節(jié)：①異常糖基化IgA1，進而生成Gd-IgA1；②被循環(huán)系統(tǒng)中抗聚糖的自身抗體識別；③導(dǎo)致腎炎的免疫復(fù)合物沉積在系膜區(qū)；④激活系膜細胞。
圖6.腎小球腎炎發(fā)生示意圖[5]
最近的研究表明，粘膜和補體免疫系統(tǒng)在IgA腎病中也發(fā)揮重要作用。例如，血尿的出現(xiàn)和粘膜免疫相關(guān)，而循環(huán)免疫復(fù)合物中常?？梢园l(fā)現(xiàn)補體，例如C3補體和補體因子H。
在人類中，IgA的主要受體為CD89，而小鼠不表達CD89，因此為了構(gòu)建類人表型的IgA腎病模型，上世紀九十年代末，Launay開發(fā)了由CD11b啟動子控制的、表達人CD89的轉(zhuǎn)基因小鼠[9]。該小鼠在單核細胞/巨噬細胞上表達人的CD89，在生長晚期，出現(xiàn)IgA的腎小球內(nèi)沉積、系膜擴張和巨噬細胞浸潤。
受到該研究啟示，南模生物構(gòu)建了Itgam-IRES-hCD89小鼠模型，可方便全球科學(xué)家進行IgA腎病研究及新藥研發(fā)。
腎癌
腎癌，又稱腎細胞癌（RCC），是泌尿系統(tǒng)最常見的腫瘤之一，在我國腎癌發(fā)病率僅次于膀胱癌，位居泌尿系統(tǒng)腫瘤第2位。腎癌有多種不同的類型，如腎透明細胞癌、乳頭狀腎細胞癌、腎嫌色細胞癌、多房囊性腎細胞癌等，其中腎透明細胞癌最常見，約占所有腎癌的90%。腎癌可分為四期，發(fā)現(xiàn)的越早預(yù)后越好，I期、II期腎癌的5年生存率分別可達95%和88%，而IV期腎癌的5年生存率僅有20%。
圖7.腎腫瘤大小與生存率[6]
腎癌的發(fā)病與多個基因密切相關(guān)，如：
除上述主要突變基因外，還有FH、TSC1/TSC2、MET、SETD2、BAP1、JARID1c/KDM5C、UTX/KDM6A、NF2、MLL2、CUL7和BRTC等基因與腎癌發(fā)病存在一定的關(guān)聯(lián)。
Zachary利用NF2-flox小鼠與Villin-Cre交配，獲得了可以自發(fā)腎癌的小鼠模型[10]，其在 15 日齡時就可以觀察到腎小管上皮的損傷，到 3 個月大時，會出現(xiàn)腎小管管內(nèi)瘤變，到 6 個月時，腫瘤的大小和數(shù)量增加，可以穿透小管基底膜，進展為浸潤性癌。
受到該研究啟示，南模生物構(gòu)建了NF2-flox小鼠，方便全球科學(xué)家進行自發(fā)腎癌模型構(gòu)建，除此之外，還構(gòu)建了腎癌發(fā)生相關(guān)基因VHL、PBRM1的敲除和條件性敲除小鼠模型，方便腎癌發(fā)生機理研究。詳細的模型信息見文末表格表格。
囊性腎病
囊性腎病是指在腎臟出現(xiàn)單個或多個內(nèi)含液體的良性囊腫性腎臟疾病，以單純性腎囊腫最常見，其次為多囊腎。腎臟超聲檢查已成為基礎(chǔ)的體檢項目，而越來越多的人也被超聲報告單上的左腎囊腫或右腎囊腫、甚至雙腎囊腫這樣的報告所困擾。實際上，單純性腎囊腫是成年人腎臟最常見的一種結(jié)構(gòu)異常，占所有囊腫性腎臟疾病的70%左右，發(fā)病率隨年齡增長而增多。如果沒有癥狀，對腎臟功能和周圍組織影響不大，單純性腎囊腫一般是不需要治療的，只要每半年到一年隨診就可以。
圖8.PKD1突變與多囊腎的相關(guān)性[7]
多囊腎?。≒KD）的危害則大得多，PKD是最常見的遺傳性腎臟疾病，包括常染色體顯性遺傳性腎?。ˋDPKD）和常染色體隱性遺傳性腎?。ˋRPKD）。ADPKD具有遺傳異質(zhì)性，位于16號染色體上的PKD1基因（見于85%的病例）或位于4號染色體上的PKD2基因（見于15%的病例）突變與發(fā)病密切相關(guān)。PKD1和PKD2基因分別編碼完整的膜蛋白多囊蛋白-1和多囊蛋白-2，兩者結(jié)構(gòu)相似，可發(fā)生相互作用。PKD1或PKD2的突變可導(dǎo)致信號失調(diào)，環(huán)磷酸腺苷水平升高，最終導(dǎo)致囊腫生成。
上世紀90年代末，Zhou J等通過同源重組將 Pkd1 截斷突變引入小鼠，模擬 ADPKD 中發(fā)現(xiàn)的突變。Pkd1敲除雜合子小鼠沒有明顯的表型，而純合子在圍產(chǎn)期死亡，伴有大量增大的腎囊腫、胰管囊腫和肺發(fā)育不良。腎囊腫的形成始于胚胎第 15.5 天 (E15.5) 在近端小管中，并迅速進展以取代整個腎實質(zhì)。到出生后第8天，存活的純合子小鼠腎實質(zhì)幾乎完全被囊腫取代[11]。受該研究啟示，南模生物自主構(gòu)建了PKD1敲除和條件性敲除的小鼠，可用于多囊腎病的研究，詳細模型信息見文末表格。
局灶性腎小球硬化癥
局灶節(jié)段性腎小球硬化（FSGS）并不是特定的疾病，而是一種病理改變。它既可以描述以原發(fā)性足細胞損傷為特征的疾病，也可以描述其它類型慢性腎臟疾?。–KD）中的繼發(fā)病變。FSGS 主要分為原發(fā)性、繼發(fā)性和遺傳性三類。其中原發(fā)性是由腎臟本身的病變導(dǎo)致；繼發(fā)性則是指有明確的病因，包括病毒（HIV）、藥物和毒素（鋰中毒）、腎組織減少（孤立腎）、腎缺血缺氧（高血壓腎損害、腎動脈狹窄）、重度肥胖等。
圖9.FSGS的常見誘因[8]
引起FSGS的致病基因包括 NPHS1/2、CD2AP、MYO1E、MYO9A等，這些基因突變引起的 FSGS 具有常染色體隱性遺傳的特點，患者常于兒童時期發(fā)病。a-actinin-4、TRPC6 和 INF2 的突變則表現(xiàn)為常染色體顯性遺傳，患者多于成人期發(fā)病，一般無明顯的腎病綜合征表現(xiàn)。
Indra R Gupta 和Alda Tufro分別構(gòu)建了Cd2ap和Myo9a敲除的小鼠，發(fā)現(xiàn)這些小鼠會出現(xiàn)腎臟發(fā)育異常、蛋白尿、腎小管萎縮等FSGS疾病的癥狀[12,13]。受此啟發(fā)，南模生物自主構(gòu)建了Cd2ap和Myo9a的敲除小鼠模型，可用于FSGS的研究，詳細模型信息見文末表格。
南模生物腎病研究相關(guān)動物模型
南模生物自主構(gòu)建了多種基因修飾小鼠，可用于IgA腎小球腎炎、腎癌、囊性腎等多種腎臟疾病的研究和藥物篩選。詳細模型信息見下表：
南模生物深耕基因編輯領(lǐng)域，提供全方位模式生物服務(wù)，包括基因修飾成品模型供應(yīng)、個性化模型定制、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥效評價等，滿足不同實驗室需求。
Reference: [1]系統(tǒng)解剖學(xué)第八版. 柏樹令 應(yīng)大君 [2]Science. 2018 August 10; 361(6402): 594–599. [3]Nat Rev Dis Primers. ; 6(1): 68. doi:10.1038/s41572-020-0196-7. [4]http://humphreyslab.com/SingleCell/ [5]Stahl, Rolf; Hoxha, Elion (2016). Glomerulonephritis. DMW - Deutsche Medizinische Wochenschrift, 141(13), 960–968. doi:10.1055/s-0042-107410 [6]Cohen, Herbert T.; McGovern, Francis J. (2005). Renal-Cell Carcinoma. New England Journal of Medicine, 353(23), 2477–2490. doi:10.1056/NEJMra043172 [7]Nat Rev Dis Primers . 2018 Dec 6;4(1):50. doi: 10.1038/s41572-018-0047-y. Polycystic kidney disease [8]Bose, B.; Cattran, D. (2014). Glomerular Diseases: FSGS. Clinical Journal of the American Society of Nephrology, 9(3), 626–632. doi:10.2215/CJN.05810513 [9]Launay P , Grossetete B , Arcos-Fajardo M , et al. Fcα Receptor (Cd89) Mediates the Development of Immunoglobulin a (Iga) Nephropathy (Berger's Disease)[J]. Journal of Experimental Medicine, 2000, 191(11):1999-2010. [10]Morris Z S , Mcclatchey A I . Aberrant epithelial morphology and persistent epidermal growth factor receptor signaling in a mouse model of renal carcinoma[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(24):9767-9772. [11]Nat Genet. 1997 Oct;17(2):179-81.doi: 10.1038/ng1097-179.Perinatal lethality with kidney and pancreas defects in mice with a targetted Pkd1 mutation [12] Case Reports Kidney Int . 2019 Jan;95(1):57-61. doi: 10.1016/j.kint.2018.08.014. Epub 2018 Oct 26. Recessive mutation in CD2AP causes focal segmental glomerulosclerosis in humans and mice [13] Kidney Int . 2021 May;99(5):1102-1117. doi: 10.1016/j.kint.2020.12.022. Epub 2021 Jan 4. Rho-GTPase Activating Protein myosin MYO9A identified as a novel candidate gene for monogenic focal segmental glomerulosclerosis
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