Nyregenerering med stamceller: en oversigt

abstrakt

baggrund: Nyregenerering får i øjeblikket betydelig opmærksomhed i stedet for nyredialyse som den ultimative terapeutiske strategi for nyresvigt. På grund af anatomiske komplikationer menes nyrerne imidlertid at være det sværeste organ at regenerere. Et sådant kompliceret organ er næsten umuligt at forestille sig at blive fuldstændig genopbygget de novo fra stamceller. Ikke desto mindre forsøger flere forskningsgrupper denne store udfordring. Sammendrag: der er 4 hovedstrategier for de novo nyregenerering fra stamceller. Disse strategier inkluderer brugen af: (i) et decellulariseret kadaverisk stillads, (ii) blastocyst-dekomplementering, (iii) en nefrogen niche til dyrkning af en kseno-embyro og (iv) selvmonteringspotentiale. Alle disse strategier kan være anvendelige i den kliniske indstilling, men en betydelig forberedelsesperiode ser ud til at være påkrævet. hovedbudskab: Selvom der stadig er mange udestående problemer med nyregenerering, herunder etiske spørgsmål og dannelse af kimære strukturer, giver forsøg håb for dialysepatienter, og nyregenerering forventes at være en realitet i fremtiden.

Kurt 2014 S. Karger AG, Basel

introduktion

nyren bevarer potentialet til at regenerere, hvis skaden ikke er for alvorlig, og nyrestrukturen forbliver intakt. I tilfælde af irreversibel skade på nyrerne, som det kan forekomme ved langvarig dialyse, går egenskaben ved selvfornyelse imidlertid helt tabt. Derfor vil enhver anvendelse af regenerativ medicin hos dialysepatienter kræve de novo udvikling af en hel funktionel nyre.

med hensyn til en funktionel hel nyre, Chan et al. rapporterede det første forsøg på at udvikle en hel funktionel renal enhed ved at danne en transplanterbar pronephros fra dyrehætter i Ksenopus. Transplantation af denne pronephros-lignende enhed korrigerede i det mindste delvist ødemet i bilateralt nefrektomiserede tadpoles, og de overlevede i op til 1 måned. Så vidt vi ved, er denne undersøgelse den eneste, hvor en transplanterbar funktionel hel nyreenhed er udviklet de novo. Imidlertid var pronephros-strukturen dannet i denne undersøgelse for primitiv til enhver klinisk anvendelse hos mennesker. Siden da er der gjort mange forsøg på verdensplan for at regenerere hele nyrer de novo (gælder hos pattedyr) fra stamceller.

hel Nyrekonstruktion ved hjælp af et Decellulariseret kadaverisk stillads

det er rapporteret, at decellulariserede kadaveriske stilladser kan give en niche for stamceller til at differentiere sig i hele organer. Denne strategi blev brugt af Ott et al. for at kunne udvikle et funktionelt kunstigt rottehjerte. Et helhjertet stillads med en intakt tredimensionel (3D) geometri og vaskulatur blev skabt via koronar perfusion med vaskemidler i det kadaveriske hjerte efterfulgt af genbefolkning med neonatale hjerteceller eller rotte aorta endotelceller . De injicerede neonatale hjerteceller dannede et kontraktil myokardium, som udførte slagfunktionen. Denne strategi er også blevet anvendt til at udvikle transplanterbar lever og lunger ved hjælp af henholdsvis modne hepatocyt-og alveolære epitelceller . Der blev gjort flere forsøg på at anvende denne teknik til nyregenerering. Disse forsøg viste, at infunderede pluripotente stamceller var lokaliseret til vaskulaturen og glomeruli, med efterfølgende migration ind i tubuli, men det var svært at erhverve nyrefunktion . For nylig rapporterede den samme gruppe, der med succes anvendte den ovenfor beskrevne metode til at generere hjerte og lunger, vellykket hel nyregenerering, som kan producere urin efter transplantation . Især brugte de veldifferentierede humane navlevene endotelceller i stedet for pluripotente stamceller, og brug af kun et stillads forsynede dem selektivt med en niche til differentieret omdirigering af nyre-og vaskulære boligceller i det rigtige område. Selvom det ikke er klart, hvordan de infunderede celler differentierer og orkestrerer til nefroner med vaskulatur for at producere urin, kan denne teknik være en løsning på manglen på donororganer.

blastocyst komplementering

injektion af normale embryonale stamceller i blastocysterne af rekombinationsaktiverende Gen 2-mangelfulde mus, som ikke har modne B-eller T-lymfocytter, genererer somatiske kimærer med ES-celleafledte modne B-og T-celler . Dette ‘blastocyst komplementeringssystem’ blev for nylig anvendt til rekonstruktion af hele organet. Kobayashi et al. for nylig rapporteret vellykket regenerering af en rottepancreas i musen via en interspecifik blastocystinjektion af inducerede pluripotente stamceller (iPS) celler. De injicerede rotte-iPS-celler i PD-1-/- mus blastocyster og fandt, at de nyfødte kimærer af rotte og mus behandlet en næsten udelukkende IPS-afledt bugspytkirtel. Denne succes beviser, at når der leveres en tom udviklingsniche for et organ, iPS-celleafledt cellulært afkom kan besætte denne niche og kompensere udviklingsmæssigt for det manglende indhold af niche. Dette danner et kompliceret organ, der næsten udelukkende består af celler afledt af donor-iPS-celler, selvom blastocytkomplementeringen involverer forskellige arter. Denne forskningsgruppe genererede for nylig en PDC-1-/- gris og lykkedes at generere en større bugspytkirtel ved hjælp af denne teknik . Disse vellykkede fund antyder, at organer i menneskelig skala teoretisk kunne genereres de novo.

denne teknik blev for nylig anvendt til hele nyrekonstruktion . Efter injektion af mus iPS-celler i blastocysterne af Sall1-null-mus, der mangler begge nyrer, bestod det meste af metanephroi af IPS-celleafledte differentierede celler. De kunne imidlertid ikke få spædbarnet i husdyr efter denne manipulation af en ukendt årsag , hvilket tyder på, at der er et andet problem at løse i dette system til nyregenerering. Disse fund tyder imidlertid stærkt på, at blastocystkomplementering er en mest lovende strategi for regenerering af nyrerne. Disse systemer er ikke tilgængelige til klinisk brug på dette tidspunkt, fordi det ikke er muligt at generere vaskulære og nervesystemer. Derudover forbliver vigtige etiske problemer med manipulation af blastocyster med IPS-celler uopløst . Ikke desto mindre fremhæver denne succes begrundelsen for, at den eventuelle kliniske anvendelse af nyregenerering skal afhænge af udviklingsprogrammering.

anvendelse af en nefrogen Niche til dyrkning af Kseno-embryoner (organogen Nichemetode)

regenerering af en hel funktionel nyre ved hjælp af et udviklende heterosoisk embryo som en ‘organfabrik’ er blevet forsøgt. Dette er baseret på begrebet ‘låntagning’ udviklingsprogrammet for et voksende kseno-embryo ved at anvende stamceller i niche af organogenese. Under udviklingen af metanephros dannes det metanephriske mesenchym oprindeligt fra den kaudale del af den nefrogene ledning og udskiller glialcellelinjeafledt neurotrofisk faktor (GDNF). Denne proces inducerer den nærliggende ulvekanal til at producere en ureterisk knopp. Forskere mikroinjiceret GDNF-udtrykker humane mesenkymale stamceller (hMSCs) i stedet for spirende efter denne proces . Modtagerembryoet blev dyrket i et helt embryokultursystem, og de dannede metanephros blev udviklet i organkultur. Virusfri manipulation kan også udføres ved anvendelse af en termoreversibel GDNF-polymer . Som et resultat blev donor hmsc ‘ er integreret i de rudimentære metanephros og morfologisk differentieret til rørformede epitelceller, interstitielle celler og glomerulære epitelceller . Forskere transplanterede derefter de udviklede metanephros i omentumet for at tillade vaskulær integration fra modtageren at danne en funktionel nefron. Som et resultat blev der genereret en hmsc-afledt ‘neokidney’, som indeholdt en human nefron og vaskulaturen fra værten . Derudover producerede neokidney urin, der viste højere koncentrationer af urinstofnitrogen og kreatinin end modtagerens sera. Dette fund antydede, at neokidney, der udviklede sig i omentum, var i stand til at producere urin ved at filtrere modtagerens blod . Desuden blev den hmsc-afledte neokidney udskilt humant erythropoietin og dets produktion stimuleret ved induktion af anæmi hos værtsdyret . Dette fund indikerede, at dette system bevarer den normale fysiologiske regulering af erytropoietinniveauer. Imidlertid kan det nuværende system muligvis ikke rekonstruere derivater af den ureteriske knopp. Derfor, for at bestemme, om MSC ‘er kan differentiere sig til den ureteriske knoppeforfader ved hjælp af kyllingembryoner, hmsc’ er, der udtrykker Paks2, blev injiceret i den ureteriske knoppeforfaderregion for kylling . Som et resultat vandrede de kaudalt med den langstrakte ulvekanal og blev integreret i ulvekanalens epitel og udtrykte derefter LIM1. Dette fund viste, at de kan differentiere sig til ulvekanalceller under påvirkning af lokale kseno-signaler . Disse resultater antyder, at en hel nyre kan genopbygges ved at transplantere hmsc ‘ er på et passende tidspunkt og sted for at regenerere derivater af metanephric mesenchyme og ureterisk knopp.

på baggrund af vores vellykkede resultater undersøger vi i øjeblikket muligheden for at eksperimentere med et større dyr (dvs.grisen), fordi svinenyren har næsten samme volumen som den menneskelige nyre. Den ultimative størrelse af de udviklede metanephros ser ud til at være præget i de tidlige udviklingsstadier i værtsembryoet. Denne mulighed understøttes af konstateringen af, at metanephroi fra større dyr transplanteret i omenta fra mindre værter udvikler sig til organer med et større volumen (diameter og vægt) sammenlignet med en normal værtsnyr . Forhåbentlig vil dette system lette udviklingen af større organer, der er mere egnede til brug hos mennesker (fig. 1).

Selvmonteringspotentiale for stamceller

nogle forskere har antydet, at pluripotente stamceller har potentialet til at differentiere sig til modne celler og samle sig selv i væv eller organer, og de har udført undersøgelser ved hjælp af pluripotente stamceller til at generere modne celler in vitro. Den autonome dannelse af 3d-væv svarende til adenohypofysen , den optiske hætte og tarmvævsstrukturer ved hjælp af et 3D ES-cellekultursystem fra ES-Celler er blevet demonstreret. Denne fremgangsmåde kunne væsentligt reducere kompleksiteten af organogenese til terapeutisk regenerering. For at regenerere nyreceller ved hjælp af en sådan tilgang skal ES-eller IPS-celler differentieres til første mellemliggende mesoderm og derefter renale stamceller efterfulgt af flere typer nyreceller. Med hensyn til nyregenerering, Osafune et al. demonstreret, at en enkelt multipotent stamcelle fra en embryonal musnyr, som stærkt udtrykker Sall1, kunne differentiere sig i flere typer nyreceller, herunder glomerulære podocytter og renal tubulær epitel, og til sidst rekonstruere en 3D-nyrestruktur. En anden nylig undersøgelse rapporterede enkeltcellesuspensioner fra embryonisk nyreaggregering til dannelse af organotypiske nyrestrukturer . Under udvikling er nyren afledt af den mellemliggende mesoderm, et af de tidlige kimlag. Mellemliggende mesodermceller differentieres derefter til renale stamceller efterfulgt af flere typer nyreceller. Derfor, hvis ES-eller IPS-celler først kan differentieres til mellemliggende mesoderm og derefter til renale stamceller, er det muligt, at alle typer nyreceller kunne genereres ved hjælp af pluripotente stamceller. Osafune et al. har etableret metoder til differentiering af humane iPSC ‘ er i mellemliggende mesodermceller ved hjælp af en kombinationsbehandling af vækstfaktorer . Disse celler udtrykker mellemliggende mesoderm-markørgener og kunne modnes til flere celletyper, herunder dem, der findes i mellemliggende mesoderm-afledte organer såsom nyre, gonader og binyrebark. Disse undersøgelser antyder, at hvis disse mellemliggende mesodermceller kan differentiere til renale stamceller, kan en 3D-nyrestruktur konstrueres ud fra pluripotente stamceller. Midlerne til vellykket regenerering af et funktionelt vaskulært system mellem den regenererede nyre og modtageren forbliver ukendte. Derudover er in vivo-funktionen af en regenereret nyre uklar. Imidlertid kan yderligere fremskridt inden for udviklingsbiologi løse disse problemer og tillade in vitro hel nyregenerering.

konklusion

denne artikel opsummerer de seneste undersøgelser af brugen af stamceller til at regenerere en funktionel hel nyre de novo. På trods af mange biologiske og tekniske fremskridt inden for nyregenerering forbliver rekonstruktion af en fuldt funktionel nyre uden for rækkevidde, og mange problemer er stadig uløste. Anvendelse af heterologt væv, såsom kseno-metanephroi og kseno-blastocyster, rejser etiske problemer, mens metoder til pålidelig differentiering af ESC ‘er / iPSC’ er i nyrer in vitro ikke er blevet fuldstændigt etableret. Metoder til at sikre funktionen af regenereret nyrevæv til produktion af urin og erythropoietin skal stadig udvikles. Imidlertid vil fortsat indsats inden for stamceller og udviklingsbiologi forhåbentlig løse disse problemer, hvilket fører til udvikling af nye behandlingsstrategier for at rekonstruere en hel nyre med tilstrækkelig nyrefunktion. Vi mener, at en sådan indsats vil komme til at virke, og det vil være muligt at regenerere en funktionel nyre i fremtiden.

forfatter kontakter

artikel / offentliggørelse detaljer

Copyright / Drug dosering / Disclaimer

ophavsret: Alle rettigheder forbeholdes. Ingen del af denne publikation må oversættes til andre sprog, gengives eller bruges i nogen form eller på nogen måde, elektronisk eller mekanisk, inklusive fotokopiering, optagelse, mikrokopiering, eller ved ethvert informationslagrings-og hentningssystem, uden skriftlig tilladelse fra udgiveren.
lægemiddeldosering: forfatterne og udgiveren har gjort alt for at sikre, at lægemiddeludvælgelse og dosering, der er beskrevet i denne tekst, er i overensstemmelse med de nuværende anbefalinger og praksis på offentliggørelsestidspunktet. Imidlertid, i betragtning af igangværende forskning, ændringer i regeringens regler, og den konstante strøm af information vedrørende lægemiddelterapi og lægemiddelreaktioner, læseren opfordres til at kontrollere indlægssedlen for hvert lægemiddel for ændringer i indikationer og dosering og for tilføjede advarsler og forholdsregler. Dette er især vigtigt, når det anbefalede middel er et nyt og/eller sjældent anvendt lægemiddel.
ansvarsfraskrivelse: erklæringerne, udtalelserne og dataene i denne publikation er udelukkende de enkelte forfattere og bidragydere og ikke af udgiverne og redaktøren(e). Udseendet af reklamer eller/og produktreferencer i publikationen er ikke en garanti, godkendelse eller godkendelse af de annoncerede produkter eller tjenester eller af deres effektivitet, kvalitet eller sikkerhed. Udgiveren og redaktøren(e) fraskriver sig ansvaret for enhver skade på personer eller ejendom som følge af ideer, metoder, instruktioner eller produkter, der henvises til i indholdet eller reklamerne.