regenerace ledvin pomocí kmenových buněk: přehled

Abstrakt

pozadí: regenerace ledvin si v současné době získává značnou pozornost místo dialýzy ledvin jako konečné terapeutické strategie pro selhání ledvin. Nicméně, kvůli anatomickým komplikacím, ledvina je věřil být nejtěžší orgán regenerovat. Takový komplikovaný orgán je prakticky nemožné si představit, že by byl de novo kompletně přestavěn z kmenových buněk. Nicméně, několik výzkumných skupin se pokouší o tuto velkou výzvu. Shrnutí: existují 4 hlavní strategie pro de novo regeneraci ledvin z kmenových buněk. Tyto strategie zahrnují použití: (i) decellularizovaného kadaverického lešení, (ii) blastocyst decomplementation, (iii) nefrogenní výklenek pro pěstování xeno-embyro a (iv) potenciál vlastní montáže. Všechny tyto strategie mohou být použitelné v klinickém prostředí, ale zdá se, že je nutná značná doba přípravy. Klíčové Zprávy: Ačkoli mnoho nevyřešených problémů zůstává pro regeneraci ledvin, včetně etických otázek a tvorby chimérických struktur, studie poskytují naději pro dialyzované pacienty a očekává se, že regenerace ledvin bude v budoucnu realitou.

© 2014 s. Karger AG, Basel

Úvod

ledvina si zachovává potenciál regenerace, pokud poškození není příliš závažné a struktura ledvin zůstává neporušená. Avšak v případech nevratného poškození ledvin, ke kterému může dojít při dlouhodobé dialýze, je vlastnost sebeobnovy zcela ztracena. Proto jakákoli aplikace regenerativní medicíny u dialyzovaných pacientů bude vyžadovat de novo vývoj celé funkční ledviny.

z hlediska funkční celé ledviny, Chan et al. hlásil první pokus vyvinout celou funkční renální jednotku vytvořením transplantovatelného pronephrosu ze zvířecích čepic v Xenopusu. Transplantace této jednotky podobné pronephros alespoň částečně korigovala edém u bilaterálně nefrektomizovaných pulců a přežila až 1 měsíc. Podle našeho nejlepšího vědomí je tato studie jediná, ve které byla de novo vyvinuta transplantovatelná funkční celá ledvinová jednotka. Struktura pronephrosu vytvořená v této studii však byla příliš primitivní pro jakoukoli klinickou aplikaci u lidí. Od té doby bylo po celém světě učiněno mnoho pokusů regenerovat celé ledviny de novo (použitelné u savců) z kmenových buněk.

rekonstrukce celé ledviny pomocí Decellularizovaného kadaverického lešení

bylo hlášeno, že decellularizovaná kadaverická lešení mohou poskytnout výklenek pro kmenové buňky, aby se diferencovaly na celé orgány. Tuto strategii použili Ott et al. úspěšně vyvinout funkční umělé krysí srdce. Celé srdeční lešení s neporušenou trojrozměrnou (3D) geometrií a vaskulaturou bylo vytvořeno koronární perfuzí s detergenty do kadaverického srdce, následované repopulací novorozeneckými srdečními buňkami nebo endoteliálními buňkami aorty potkanů . Injikované neonatální srdeční buňky vytvořily kontraktilní myokard, který vykonával funkci mrtvice. Tato strategie byla také použita k vývoji transplantovatelných jater a plic pomocí zralých hepatocytů a alveolárních epiteliálních buněk . Bylo provedeno několik pokusů o použití této techniky pro regeneraci ledvin. Tyto pokusy ukázaly, že infuzní pluripotentní kmenové buňky byly lokalizovány do vaskulatury a glomerulů s následnou migrací do tubulů, ale bylo obtížné získat funkci ledvin . Nedávno však stejná skupina, která úspěšně použila výše popsanou metodu k vytvoření srdce a plic, hlásila úspěšnou regeneraci celé ledviny, která může po transplantaci produkovat moč . Zejména, místo pluripotentních kmenových buněk použili dobře diferencované endotelové buňky lidské pupeční žíly, a použití pouze lešení selektivně jim poskytlo výklenek pro diferencované odklonění renálních a cévních rezidenčních buněk v pravé oblasti. Ačkoli není jasné, jak se infuzní buňky diferencují a organizují do nefronů s vaskulaturou za vzniku moči, tato technika by mohla být řešením nedostatku dárcovských orgánů.

Blastocystová komplementace

injekce normálních embryonálních kmenových (ES) buněk do blastocyst myší s deficitem genu 2 aktivujících rekombinaci, které nemají zralé B nebo T lymfocyty, vytváří somatické chiméry se zralými B A T buňkami odvozenými z ES buněk . Tento „blastocystový komplementační“ systém byl nedávno aplikován na rekonstrukci celého orgánu. Kobajaši et al. nedávno byla hlášena úspěšná regenerace slinivky břišní u myší prostřednictvím interspecifické blastocysty injekce indukovaných pluripotentních kmenových buněk (iPS). Injektovali krysí iPS buňky do Pdx-1-/- (pankreatogeneze-zakázáno) myší blastocysty a zjistil, že novorozené chiméry krysy a myši zpracovaly téměř výhradně pankreas odvozený od iPS. Tento úspěch dokazuje, že když je k dispozici prázdný vývojový výklenek pro orgán, buněčné potomstvo odvozené od buněk iPS může obsadit tento výklenek a vývojově kompenzovat chybějící obsah výklenku. To tvoří komplikovaný orgán složený téměř výhradně z buněk odvozených z dárcovských iPS buněk, i když komplementace blastocytů zahrnuje různé druhy. Tato výzkumná skupina nedávno vytvořila Pdx-1-/- prase a podařilo se mu vytvořit větší pankreas pomocí této techniky . Tato úspěšná zjištění naznačují, že orgány v lidském měřítku by mohly být teoreticky generovány de novo.

tato technika byla nedávno aplikována na rekonstrukci celé ledviny . Po injekci myších iPS buněk do blastocyst myší Sall1-null, které postrádají obě ledviny, většina metanefroi sestávala z diferencovaných buněk odvozených od iPS buněk. Po této manipulaci však nemohli získat dítě u hospodářských zvířat z neznámého důvodu, což naznačuje, že v tomto systému je třeba vyřešit další problém pro regeneraci ledvin. Tato zjištění však silně naznačují, že doplnění blastocysty je nejslibnější strategií regenerace ledvin. Tyto systémy nejsou v současné době k dispozici pro klinické použití, protože není možné vytvářet vaskulární a nervové systémy. Kromě toho zůstávají nevyřešeny důležité etické problémy s manipulací blastocyst s buňkami iPS . Tento úspěch však zdůrazňuje zdůvodnění, že případná klinická aplikace regenerace ledvin musí záviset na vývojovém programování.

použití nefrogenního výklenku pro pěstování Xeno-embryí (organogenní Nika metoda)

byla pokusem o regeneraci celé funkční ledviny za použití vyvíjejícího se heterozoického embrya jako „továrny na orgány“. To je založeno na konceptu „půjčování“ vývojového programu rostoucího xeno-embrya aplikací kmenových buněk ve výklenku organogeneze. Během vývoje metanefrů se metanefrický mezenchym zpočátku tvoří z kaudální části nefrogenní šňůry a vylučuje neurotrofický faktor odvozený z linie gliových buněk (GDNF). Tento proces indukuje nedaleký wolffianův kanál, aby vytvořil ureterický pupen. Vědci mikroinjektovali lidské mezenchymální kmenové buňky (HMSC) exprimující GDNF do místa pučení po tomto procesu . Přijímající embryo bylo pěstováno v celém systému kultury embryí a vytvořené metanefry byly vyvinuty v orgánové kultuře. Manipulace bez virů může být také provedena pomocí termoreverzibilního polymeru GDNF . V důsledku toho byly donorové HMSC integrovány do rudimentárních metanefrů a morfologicky diferencovány na tubulární epiteliální buňky, intersticiální buňky a glomerulární epiteliální buňky . Vědci poté transplantovali vyvinuté metanefry do omentu, aby umožnili vaskulární integraci od příjemce za vzniku funkčního nefronu. V důsledku toho byl vytvořen „neokidney“ odvozený od hMSC, který obsahoval lidský nefron a vaskulaturu z hostitele . Kromě toho neokidney produkoval moč, která vykazovala vyšší koncentrace močovinového dusíku a kreatininu než séra příjemce. Toto zjištění naznačuje, že neokidney, který se vyvinul v omentu, byl schopen produkovat moč filtrací krve příjemce . Kromě toho neokidney odvozený od hMSC vylučoval lidský erytropoetin a jeho produkce byla stimulována indukcí anémie u hostitelského zvířete . Toto zjištění ukázalo, že tento systém zachovává normální fyziologickou regulaci hladin erytropoetinu. Současný systém však nemusí rekonstruovat deriváty ureterického pupenu. Proto, aby se zjistilo, zda se MSc mohou diferencovat do progenitoru ureterických pupenů pomocí kuřecích embryí, byly HMSC exprimující Pax2 injikovány do oblasti progenitoru kuřecích ureterických pupenů . Jako výsledek, migrovali kaudálně s protáhlým wolffovským kanálem a byli integrováni do epitelu wolffovského kanálku a poté vyjádřili LIM1. Toto zjištění ukázalo, že se mohou diferencovat na wolffovské kanálové buňky pod vlivem lokálních xeno-signálů . Tyto výsledky naznačují, že celá ledvina může být přestavěna transplantací HMSC ve vhodném čase a místě k regeneraci derivátů metanefrického mezenchymu a ureterického pupenu.

na základě našich úspěšných zjištění v současné době zkoumáme možnost experimentování na větším zvířeti (tj. prase), protože prasečí ledvina má téměř stejný objem jako lidská ledvina. Konečná velikost vyvinutých metanefrů se zdá být vytištěna během raných fází vývoje v hostitelském embryu. Tuto možnost podporuje zjištění, že metanefroi větších zvířat transplantovaných do omenty menších hostitelů se vyvíjejí do orgánů s větším objemem (průměr a hmotnost) ve srovnání s normální hostitelskou ledvinou . Doufejme, že tento systém usnadní vývoj větších orgánů, které jsou vhodnější pro použití u lidí (obr. 1).

Self-Assembly potenciál kmenových buněk

někteří vědci navrhli, že pluripotentní kmenové buňky mají potenciál diferencovat do zralých buněk a self-assembly do tkání nebo orgánů, a oni provedli vyšetřování pomocí pluripotentních kmenových buněk generovat zralé buňky in vitro. Byla prokázána autonomní tvorba 3D tkáně podobné adenohypofýze , optickému uzávěru a strukturám střevní tkáně pomocí 3D systému buněčné kultury ES z buněk ES. Tento přístup by mohl podstatně snížit složitost organogeneze pro terapeutickou regeneraci. K regeneraci renálních buněk pomocí takového přístupu musí být buňky ES nebo iPS diferencovány na první meziprodukt mezodermu a poté na renální progenitory, následované několika typy renálních buněk. Pokud jde o regeneraci ledvin, Osafune et al. prokázal, že jedna multipotentní progenitorová buňka z embryonální myší ledviny, která vysoce exprimuje Sall1, by se mohla diferencovat na několik typů renálních buněk, včetně glomerulárních podocytů a renálního tubulárního epitelu, a nakonec rekonstruovat 3D strukturu ledvin. Další nedávná studie uváděla jednobuněčné suspenze z embryonálního reagování ledvin za vzniku organotypických renálních struktur . Během vývoje je ledvina odvozena od mezilehlého mezodermu, jedné z raných zárodečných vrstev. Intermediární mezodermální buňky se pak diferencují na renální progenitory, následované několika typy renálních buněk. Pokud se tedy buňky ES nebo iPS mohou diferencovat nejprve na střední mezoderm a poté na renální progenitory, je možné, že všechny typy renálních buněk by mohly být generovány pomocí pluripotentních kmenových buněk. Osafune a kol. zavedly metody pro diferenciaci lidských IPSC na intermediární mezodermální buňky pomocí kombinované léčby růstových faktorů . Tyto buňky exprimují mezilehlé mezodermové markerové geny a mohly by dozrát na více typů buněk, včetně těch, které se nacházejí v intermediárních orgánech odvozených od mezodermu, jako jsou ledviny, pohlavní žlázy a kůra nadledvin. Tato vyšetření naznačují, že pokud se tyto intermediární mezodermální buňky mohou diferencovat na renální progenitorové buňky, může být z pluripotentních kmenových buněk vytvořena 3D struktura ledvin. Prostředky pro úspěšnou regeneraci funkčního cévního systému mezi regenerovanou ledvinou a příjemcem zůstávají neznámé. Kromě toho je in vivo funkce regenerované ledviny nejasná. Další pokroky ve vývojové biologii však mohou tyto problémy vyřešit a umožnit in vitro regeneraci celé ledviny.

závěr

tento článek shrnuje nejnovější výzkumy o použití kmenových buněk k regeneraci funkční celé ledviny de novo. Navzdory mnoha biologickým a technickým pokrokům v regeneraci ledvin zůstává rekonstrukce plně funkční ledviny mimo dosah a mnoho problémů je stále nevyřešeno. Použití heterologní tkáně, jako je xeno-metanefroi a xeno-blastocysty, vyvolává etické problémy, zatímco metody spolehlivé diferenciace Esc / IPSC na ledviny in vitro nebyly zcela stanoveny. Je třeba vyvinout metody pro zajištění funkce regenerované renální tkáně k produkci moči a erytropoetinu. Pokračující úsilí v oblasti kmenových buněk a vývojové biologie však doufejme vyřeší tyto problémy, což povede k vývoji nových léčebných strategií k rekonstrukci celé ledviny s adekvátní funkcí ledvin. Věříme, že takové úsilí se uskuteční a bude možné v budoucnu regenerovat funkční ledvinu.

kontakty autora

podrobnosti o článku / publikaci

Copyright / Drug dávkování / Disclaimer

Copyright: Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být přeložena do jiných jazyků, reprodukována nebo využívána v jakékoli formě nebo jakýmkoli způsobem, elektronickým nebo mechanickým, včetně kopírování, nahrávání, mikrokopie, nebo jakýmkoli systémem ukládání a vyhledávání informací, bez písemného souhlasu vydavatele.
dávkování léků: autoři a vydavatel vynaložili veškeré úsilí, aby zajistili, že výběr a dávkování léků uvedené v tomto textu jsou v souladu se současnými doporučeními a praxí v době zveřejnění. Vzhledem k probíhajícímu výzkumu, změnám ve vládních nařízeních a neustálému toku informací týkajících se farmakoterapie a reakcí na léky je však čtenář vyzván, aby zkontroloval příbalový leták pro každý lék pro jakékoli změny indikací a dávkování a pro další varování a preventivní opatření. To je zvláště důležité, pokud je doporučeným činidlem nový a/nebo zřídka používaný lék.
zřeknutí se odpovědnosti: prohlášení, názory a údaje obsažené v této publikaci jsou výhradně prohlášení jednotlivých autorů a přispěvatelů, nikoli vydavatelů a redaktorů. Vzhled reklam nebo / a odkazů na produkty v publikaci není zárukou, schválením nebo schválením inzerovaných produktů nebo služeb nebo jejich účinností, kvalitou nebo bezpečností. Vydavatel a redaktoři se zříkají odpovědnosti za jakoukoli újmu na osobách nebo majetku vyplývající z jakýchkoli nápadů, metod, pokynů nebo produktů uvedených v obsahu nebo reklamách.