离体患者来源荷瘤人肾模型重现药物毒性与代谢分布

肾脏代谢行为构成药物开发、毒性评估和生物分布研究中的关键评价参数。然而，现有动物模型与细胞模型的内在生物学结构，无法在宏观层面重现人肾中真实的药物代谢过程及空间分布模式。因此，建立标准化的人源肾脏模型具有必要性。本研究利用50例临床确诊患者根治性手术后的肾脏，建立了离体荷瘤肾（ETK）模型。标准化ETK模型包括以下内容：（a）依据保留正常组织比例、适于ETK灌流的血管状态以及肾脏整体结构完整性进行筛选；（b）通过外科预处理暴露肾盂，并实现肾动脉与输尿管置管；（c）在灌流系统内以70 ml/min流速灌注低温（4 至 10 °C）生理盐水；（d）通过生物样本指标评估ETK检测效率及药物生物分布。结果显示，ETK在整个灌流过程中维持了完整的肾小球与肾小管微结构，并产生稳定尿液输出，保留了滤过能力。在给予不同类型肾毒性药物（顺铂、庆大霉素和头孢菌素）处理后，ETK模型重现了药物特异性的损伤模式，并表现出与真实临床观察一致的生化变化和组织学特征。在药物分布分析中，吲哚菁绿（ICG）在ETK模型中表现为肿瘤负性荧光对比，并在正常肾组织中荧光富集，这与真实临床观察一致；而小鼠原位肾癌模型则显示ICG在肿瘤内正向蓄积，提示肾脏药物分布存在物种依赖性差异。总体而言，ETK模型提供了一个结构保存良好且功能反应灵敏的人源肾脏系统，可用于研究肾脏药物代谢、肾毒性、肿瘤成像及药物递送策略。

这篇发表于《Research》的论文围绕人肾药物代谢、毒性评估与肿瘤内外药物分布这一关键问题，建立并验证了一种离体患者来源荷瘤肾（ex vivo tumor-bearing kidney，ETK）模型。研究背景在于，肾脏不仅是代谢废物和毒性化合物的重要清除器官，也是药物处置的重要场所。大量临床药物依赖肾小球滤过、肾小管主动分泌和重吸收完成清除，相关过程受有机阴离子转运体（OATs）、有机阳离子转运体（OCTs）、细胞色素P450（Cytochrome P450）及尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶等多类转运体和代谢酶共同调控。因此，肾脏内药物浓度、代谢命运和毒性反应的准确评估，是药物研发与安全性评价中的核心环节。

现有研究模型存在明显不足。动物模型受物种差异影响，皮质关键转运体的表达丰度、节段分布及底物亲和性与人肾存在差别，导致转化可靠性受限；微流控肾单位和细胞模型则缺乏完整肾脏代谢微环境，难以呈现整器官尺度的药物分布和功能反应。与此同时，健康供体肾来源稀缺，而肾癌根治术后废弃的荷瘤肾兼具残余正常实质与肿瘤组织，为构建人源离体肾模型提供了现实基础。基于此，研究人员尝试解决标本纳入标准、灌流参数标准化、灌流效果客观评价、离体功能鉴定及与传统动物模型差异量化等问题，建立标准化ETK灌流流程，并检验其在肾毒性评价与药物分布研究中的应用价值。

在方法上，研究采用病例来源于哈尔滨医科大学附属肿瘤医院的临床手术标本队列：2022年8月至2025年8月共收集238例肾切除标本，经预设标准筛选后纳入50例ETK用于建模。研究人员构建了低温简化体外循环系统，以单向蠕动泵、储液器、温度计、压力计和流量计维持闭合灌流；通过尿量、天冬氨酸氨基转移酶（AST）、乳酸脱氢酶（LDH）、肌酐（creatinine）、肾损伤分子-1（KIM-1）和中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）评估功能与损伤；结合H&E染色、多重免疫荧光、电子显微镜观察微结构改变；并将吲哚菁绿（ICG）在ETK中的分布与小鼠原位肾癌异种移植模型进行比较。

研究首先在“Establishing an extracorporeal circulation protocol for ETK”部分建立了ETK体外循环体系。研究人员对临床荷瘤肾标本进行严格筛选，要求保留足够比例正常组织、血管条件适合置管和灌流、整体结构可形成有效闭合回路，排除先天畸形、既往肾功能不全、严重循环受损及肿瘤占比过高等情况。随后实施标准化外科预处理，包括去除肾周脂肪、暴露肾门、结扎修剪分支血管以及游离输尿管。结果显示，在该标准化流程下，灌流后器官宏观颜色与张力可维持，随机活检显示肾小球和肾小管结构完整，足细胞足突基本保存，说明ETK在低温灌流条件下能够保持较好的微观结构完整性。

在“Perfusion conditions for ETK”部分，研究进一步优化灌流条件并建立灌流质量评分体系。研究人员观察到，预冲洗过程中随着残余血液被清除，肾组织出现颜色变浅、组织变实及尿液生成等形态变化，因此据此定义灌流评分，并将评分≥2的标本视为可用于后续实验。最终50例标本符合标准。随后，研究通过持续监测尿液和灌流液中的AST和LDH变化来判断组织应激和损伤状态。结果发现，离体灌流开始后约35 min内，尿液中的AST和LDH逐渐下降至基线，而灌流液中的AST和LDH则随时间升高。组织病理结果提示肾小球结构保存较好，近端小管刷状缘部分缺失，但整体细胞形态和管腔轮廓尚完整。该结果表明，模型在早期存在一定缺血相关应激释放，但总体微结构仍获得保存。

在“Urine output-guided optimization of the perfusion protocol”部分，研究人员以尿量为核心功能指标对流速和灌流液进行系统优化。6例ETK在不同肾血流量（RBF）下测试后显示，尿量在一定范围内随流速增加而增加，当RBF达到70 ml/min时，ETK可产生约1至1.5 ml/min的尿量，接近生理水平，同时又可避免过高流速引起的肾小球微结构机械损伤，因此确定70 ml/min为最合适流速。不同灌流液比较中，生理盐水产生的尿量最高，肾保存液（KPS）居中，University of Wisconsin solution（UW）最低。加用肌酐后，其在灌流液中浓度持续下降、在尿液中可被检测到，提示ETK保留了一定滤过功能。上述结果确立了低温生理盐水、70 ml/min流速的标准化ETK灌流条件。

在“ETK response to drug-induced nephrotoxicity”部分，研究验证了ETK对药物性肾损伤的响应能力。研究人员在55 min稳定期后，将顺铂（CIS）、庆大霉素（GEN）和头孢菌素分别加入灌流回路，继续灌流50至60 min。结果显示，CIS引起最显著损伤：尿液及灌流液中AST、LDH、KIM-1和NGAL明显升高；多重免疫荧光显示KIM-1和NGAL广泛表达；电镜和病理提示刷状缘脱失、上皮细胞结构破坏、细胞核碎裂、足突融合消失、肾小球破坏及肾小管管腔接近闭塞。GEN也诱导可检测的肾毒性，但程度弱于CIS，表现为AST和NGAL升高更明显，KIM-1局部阳性，电镜下可见轻度空泡变、部分刷状缘保留、局灶性足突融合，而肾小球整体滤过结构尚存。头孢菌素在观察窗口内仅表现出极轻微急性毒性，主要为AST轻度变化，KIM-1和NGAL基本不变，组织结构大体保留。生理盐水对照组未见明显结构损伤和生物标志物升高。该部分说明ETK不仅能反映肾毒性强弱差异，还可重现不同药物特异性的损伤表型，与临床药理学认知一致。

在“Imaging differences of ICG between ETK and orthotopic mouse renal cancer models”部分，研究比较了ICG在ETK与小鼠原位肾癌模型中的分布差异。6例ETK均表现为ICG在正常肾实质中优先富集，而肿瘤区域呈负性荧光对比，肿瘤边界清晰，无论肿瘤为外生型还是内生型均如此。肿瘤—正常组织交界区取样后的病理结果与成像边界一致。相反，在6只小鼠原位肾癌模型中，静脉注射ICG后则主要在肿瘤组织中聚集，呈现正性肿瘤对比。研究据此指出，人ETK与小鼠肾脏在OAT1、OAT3以及顶端外排泵MRP2、MRP4等关键皮质转运体的丰度、空间分布和底物亲和性方面存在显著物种差异，这种差异可能从根本上改变ICG及相关药物在肿瘤与邻近正常组织间的分布格局。该发现凸显了ETK在肾脏药物转运、肿瘤成像和靶向递送研究中的人源特异性优势。

讨论部分强调，ETK模型在结构保存、功能维持、急性毒理响应和药物分布方面表现出较高的真实性，部分弥补了动物模型和细胞模型之间的转化鸿沟。研究还指出，低温条件可显著降低肾脏氧耗，使离体器官在短时间内维持可分析状态；以尿量为优先指标进行优化十分关键，因为其既反映肾生理功能，也提供后续生物样本。生理盐水成分简单，有助于直接观察药物诱导的损伤效应，但由于缺乏携氧能力和营养支持，模型目前更适合短时功能评估和急性毒性研究。论文同时明确了局限性：肾细胞癌本身具有病理异质性，且患者合并症和术前用药史可影响器官初始状态；另外，受临床病理诊断要求限制，离体灌流时长不能过长，因此尚不适合长期代谢或慢性损伤研究。

研究结论部分可概括为：术后荷瘤肾的再利用及离体灌流是一种具有转化意义的研究策略，可将临床组织转化为高保真度实验平台。ETK模型表现出结构稳定性、功能适应性以及真实的药物响应与分布特征，能够为肾脏转运、代谢、肿瘤靶向成像和药物递送策略优化提供直接的人源相关证据。未来通过优化灌流液、引入常温灌流并与其他模型联合，有望进一步提升其在药物开发、个体化治疗和精准肾肿瘤学中的应用价值。