Kidney Regeneration with Stem Cells: An Overview

Abstract

Hintergrund: Die Nierenregeneration gewinnt derzeit erhebliche Aufmerksamkeit anstelle der Nierendialyse als ultimative therapeutische Strategie für Nierenversagen. Aufgrund anatomischer Komplikationen wird jedoch angenommen, dass die Niere das am schwersten zu regenerierende Organ ist. Ein solch kompliziertes Organ ist praktisch nicht vorstellbar, de novo aus Stammzellen vollständig wieder aufgebaut zu werden. Dennoch versuchen sich mehrere Forschungsgruppen an dieser großen Herausforderung. Zusammenfassung: Es gibt 4 Hauptstrategien für die De-Novo-Nierenregeneration aus Stammzellen. Diese Strategien umfassen die Verwendung von: (i) einem decellularisierten Kadavergerüst, (ii) Blastozystendekomplementierung, (iii) einer nephrogenen Nische für das Wachstum eines Xeno-Embyros und (iv) Selbstorganisierungspotential. Alle diese Strategien können im klinischen Umfeld anwendbar sein, es scheint jedoch eine beträchtliche Vorbereitungszeit erforderlich zu sein. Kernbotschaften: Obwohl für die Nierenregeneration noch viele offene Probleme bestehen, einschließlich ethischer Fragen und der Bildung chimärer Strukturen, geben Studien Hoffnung für Dialysepatienten, und es wird erwartet, dass die Nierenregeneration in Zukunft Realität wird.

© 2014 S. Karger AG, Basel

Einleitung

Die Niere behält ihr Regenerationspotential, wenn die Schädigung nicht zu stark ist und die Nierenstruktur intakt bleibt. Bei irreversiblen Nierenschäden, wie sie bei der Langzeitdialyse auftreten können, geht jedoch die Eigenschaft der Selbsterneuerung vollständig verloren. Daher erfordert jede Anwendung der regenerativen Medizin bei Dialysepatienten de novo die Entwicklung einer gesamten funktionellen Niere.

In Bezug auf eine funktionelle Vollniere, Chan et al. berichtete über den ersten Versuch, eine ganze funktionelle Niereneinheit zu entwickeln, indem ein transplantierbarer Pronephros aus tierischen Kappen in Xenopus gebildet wurde. Die Transplantation dieser Pronephros-ähnlichen Einheit korrigierte das Ödem bei bilateral nephrektomierten Kaulquappen zumindest teilweise und sie überlebten bis zu 1 Monat. Nach unserem besten Wissen ist diese Studie die einzige, in der eine transplantierbare funktionelle Ganzniereneinheit de novo entwickelt wurde. Die in dieser Studie gebildete Pronephros-Struktur war jedoch für eine klinische Anwendung beim Menschen zu primitiv. Seitdem wurden weltweit viele Versuche unternommen, ganze Nieren de novo (anwendbar bei Säugetieren) aus Stammzellen zu regenerieren.

Rekonstruktion der gesamten Niere Unter Verwendung eines decellularisierten Leichengerüsts

Es wurde berichtet, dass decellularisierte Leichengerüste Stammzellen eine Nische bieten können, um sich zu ganzen Organen zu differenzieren. Diese Strategie wurde von Ott et al. um erfolgreich ein funktionelles künstliches Rattenherz zu entwickeln. Ein Ganzherzgerüst mit intakter dreidimensionaler (3D) Geometrie und Vaskulatur wurde durch Koronarperfusion mit Detergenzien in das Leichenherz erzeugt, gefolgt von einer Neupopulation mit neonatalen Herzzellen oder Rattenaortenendothelzellen . Die injizierten neonatalen Herzzellen bildeten ein kontraktiles Myokard, das die Schlaganfallfunktion ausübte. Diese Strategie wurde auch verwendet, um transplantierbare Leber und Lunge unter Verwendung reifer Hepatozyten- bzw. Alveolarepithelzellen zu entwickeln . Es wurden mehrere Versuche unternommen, diese Technik zur Nierenregeneration einzusetzen. Diese Versuche zeigten, dass infundierte pluripotente Stammzellen im Gefäßsystem und in den Glomeruli lokalisiert waren, mit anschließender Migration in die Tubuli, aber es war schwierig, eine Nierenfunktion zu erlangen . Vor kurzem berichtete jedoch dieselbe Gruppe, die die oben beschriebene Methode erfolgreich zur Erzeugung von Herz und Lunge verwendete, über eine erfolgreiche Regeneration der gesamten Niere, die nach der Transplantation Urin produzieren kann . Insbesondere verwendeten sie gut differenzierte menschliche Nabelvenen-Endothelzellen anstelle von pluripotenten Stammzellen, und die Verwendung von nur einem Gerüst bot ihnen selektiv eine Nische für eine differenzierte Ablenkung der Nieren- und Gefäßstammzellen im richtigen Bereich. Obwohl nicht klar ist, wie sich die infundierten Zellen differenzieren und zu Nephronen mit Gefäßen orchestrieren, um Urin zu produzieren, könnte diese Technik eine Lösung für den Mangel an Spenderorganen sein.

Blastozystenkomplementierung

Die Injektion normaler embryonaler Stammzellen (ES) in die Blastozysten rekombinationsaktivierender Gen-2-defizienter Mäuse, die keine reifen B- oder T-Lymphozyten aufweisen, erzeugt somatische Chimären mit aus ES-Zellen stammenden reifen B- und T-Zellen . Dieses System der Blastozystenkomplementierung wurde kürzlich zur Rekonstruktion des gesamten Organs angewendet. Kobayashi et al. kürzlich berichtete erfolgreiche Regeneration einer Ratte Bauchspeicheldrüse in der Maus über eine interspezifische Blastozysteninjektion von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS). Sie injizierten Ratten-iPS-Zellen in Pdx-1-/- (Pankreatogenese-behinderte) Maus-Blastozysten und fanden heraus, dass die neugeborenen Chimären von Ratte und Maus eine fast vollständig von iPS abgeleitete Bauchspeicheldrüse verarbeiteten. Dieser Erfolg beweist, dass, wenn eine leere Entwicklungsnische für ein Organ bereitgestellt wird, von iPS-Zellen abgeleitete zelluläre Nachkommen diese Nische besetzen und den fehlenden Inhalt der Nische entwicklungsmäßig kompensieren können. Dies bildet ein kompliziertes Organ, das fast ausschließlich aus Zellen besteht, die von Spender-iPS-Zellen stammen, selbst wenn die Blastozytenkomplementierung verschiedene Spezies umfasst. Diese Forschungsgruppe hat kürzlich einen Pdx generiert-1-/- schwein und es gelang, mit dieser Technik eine größere Bauchspeicheldrüse zu erzeugen . Diese erfolgreichen Ergebnisse legen nahe, dass Organe im menschlichen Maßstab theoretisch de novo erzeugt werden könnten.

Diese Technik wurde kürzlich bei der Rekonstruktion der gesamten Niere angewendet . Nach Injektion von Maus-iPS-Zellen in die Blastozysten von Sall1-Null-Mäusen, denen beide Nieren fehlen, bestanden die meisten Metanephroi aus differenzierten Zellen, die von iPS-Zellen abgeleitet waren. Sie konnten das Kind jedoch nach dieser Manipulation aus einem unbekannten Grund nicht in Vieh bekommen , was darauf hindeutet, dass in diesem System ein anderes Problem für die Nierenregeneration zu lösen ist. Diese Ergebnisse deuten jedoch stark darauf hin, dass die Blastozystenkomplementierung eine vielversprechendste Strategie für die Regeneration der Niere ist. Diese Systeme sind derzeit nicht für den klinischen Einsatz verfügbar, da es nicht möglich ist, Gefäß- und Nervensysteme zu erzeugen. Darüber hinaus bleiben wichtige ethische Fragen bei der Manipulation von Blastozysten mit iPS-Zellen ungelöst . Nichtsdestotrotz unterstreicht dieser Erfolg die Begründung, dass die eventuelle klinische Anwendung der Nierenregeneration von der Entwicklungsprogrammierung abhängen muss.

Verwendung einer nephrogenen Nische für das Wachstum von Xeno-Embryonen (organogene Nischenmethode)

Es wurde versucht, eine ganze funktionelle Niere unter Verwendung eines sich entwickelnden heterozoischen Embryos als ‚Organfabrik‘ zu regenerieren. Dies basiert auf dem Konzept, das Entwicklungsprogramm eines wachsenden Xeno-Embryos durch die Anwendung von Stammzellen in der Nische der Organogenese zu ‚leihen‘. Während der Entwicklung des Metanephros bildet sich das metanephrische Mesenchym zunächst aus dem kaudalen Teil des nephrogenen Strangs und sezerniert den von der Gliazelllinie abgeleiteten neurotrophen Faktor (GDNF). Dieser Prozess veranlasst den nahe gelegenen Wolffschen Gang, eine Ureterknospe zu produzieren. Die Forscher injizierten GDNF-exprimierende humane mesenchymale Stammzellen (hMSCs) nach diesem Prozess in die Knospungsstelle . Der Empfängerembryo wurde in einem ganzen Embryokultursystem gezüchtet, und das gebildete Metanephros wurde in Organkultur entwickelt. Virenfreie Manipulation kann auch unter Verwendung eines thermoreversiblen GDNF-Polymers durchgeführt werden. Als Ergebnis wurden Spender-hMSCs in die rudimentären Metanephros integriert und morphologisch zu tubulären Epithelzellen, interstitiellen Zellen und glomerulären Epithelzellen differenziert . Die Forscher transplantierten dann die entwickelten Metanephros in das Omentum, um eine vaskuläre Integration vom Empfänger zu ermöglichen, um ein funktionelles Nephron zu bilden. Als Ergebnis wurde ein hMSC-abgeleitetes ‚Neokidney‘ erzeugt, das ein menschliches Nephron und das Gefäßsystem des Wirts enthielt . Darüber hinaus produzierte die Neokidney Urin, der höhere Konzentrationen von Harnstoffstickstoff und Kreatinin als die Seren des Empfängers zeigte. Dieser Befund deutete darauf hin, dass die Neokidney, die sich im Omentum entwickelte, in der Lage war, Urin zu produzieren, indem sie das Blut des Empfängers filterte . Darüber hinaus sezernierte die hMSC-abgeleitete Neokidney menschliches Erythropoetin und seine Produktion wurde durch die Induktion von Anämie im Wirtstier stimuliert . Dieser Befund zeigte, dass dieses System die normale physiologische Regulation der Erythropoetinspiegel beibehält. Das derzeitige System kann jedoch keine Derivate der Ureterknospe rekonstruieren. Um zu bestimmen, ob MSCs mit Hilfe von Hühnerembryonen in den Ureterknospen-Vorläufer differenzieren können, wurden hMSCs, die Pax2 exprimieren, in die Ureterknospen-Vorläuferregion des Huhns injiziert . Infolgedessen migrierten sie kaudal mit dem verlängerten Wolffschen Gang und wurden in die Wolffschen Gangepithelien integriert und exprimierten dann LIM1. Dieser Befund zeigte, dass sie sich unter dem Einfluss lokaler Xenosignale zu Wolffschen Kanalzellen differenzieren können . Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine ganze Niere durch Transplantation von hMSCs zu einem geeigneten Zeitpunkt und an einem geeigneten Ort wieder aufgebaut werden kann, um Derivate des metanephrischen Mesenchyms und der Ureterknospe zu regenerieren.

Basierend auf unseren erfolgreichen Ergebnissen untersuchen wir derzeit die Möglichkeit, an einem größeren Tier (d. h. dem Schwein) zu experimentieren, da die Schweineniere fast das gleiche Volumen wie die menschliche Niere hat. Die endgültige Größe des entwickelten Metanephros scheint während der frühen Entwicklungsstadien im Wirtsembryo eingeprägt zu sein. Diese Möglichkeit wird durch den Befund gestützt, dass sich die Metanephroi größerer Tiere, die in die Omenta kleinerer Wirte transplantiert wurden, zu Organen mit einem größeren Volumen (Durchmesser und Gewicht) entwickeln als das einer normalen Wirtsniere . Hoffentlich erleichtert dieses System die Entwicklung größerer Organe, die für den Einsatz beim Menschen besser geeignet sind (Abb. 1).

Selbstassemblierungspotential von Stammzellen

Einige Forscher haben vorgeschlagen, dass pluripotente Stammzellen das Potenzial haben, sich in reife Zellen zu differenzieren und sich selbst zu Geweben oder Organen zusammenzusetzen, und sie haben Untersuchungen mit pluripotenten Stammzellen durchgeführt, um reife Zellen in vitro zu erzeugen. Die autonome Bildung von 3D-Gewebe ähnlich der Adenohypophyse , der optischen Kappe und der intestinalen Gewebestrukturen unter Verwendung eines 3D-ES-Zellkultursystems aus ES-Zellen wurde nachgewiesen. Dieser Ansatz könnte die Komplexität der Organogenese für die therapeutische Regeneration erheblich reduzieren. Um Nierenzellen mit einem solchen Ansatz zu regenerieren, müssen ES- oder iPS-Zellen zuerst in intermediäres Mesoderm und dann in renale Vorläuferzellen differenziert werden, gefolgt von mehreren Arten von Nierenzellen. In Bezug auf die Nierenregeneration haben Osafune et al. gezeigt, dass eine einzelne multipotente Vorläuferzelle aus einer embryonalen Mausniere, die Sall1 stark exprimiert, sich in verschiedene Arten von Nierenzellen, einschließlich glomerulärer Podozyten und renaler tubulärer Epithelien, differenzieren und schließlich eine 3D-Nierenstruktur rekonstruieren kann. Eine andere kürzlich durchgeführte Studie berichtete über Einzelzellsuspensionen aus embryonalen Nieren, die zu organotypischen Nierenstrukturen reaggregierten . Während der Entwicklung stammt die Niere aus dem intermediären Mesoderm, einer der frühen Keimschichten. Intermediäre Mesoderm-Zellen differenzieren sich dann in renale Vorläuferzellen, gefolgt von verschiedenen Arten von Nierenzellen. Wenn ES- oder iPS-Zellen sich daher zuerst in intermediäres Mesoderm und dann in renale Vorläuferzellen differenzieren können, ist es möglich, dass alle Arten von Nierenzellen unter Verwendung pluripotenter Stammzellen erzeugt werden können. Osafune et al. haben Methoden zur Differenzierung menschlicher iPSCs in intermediäre Mesodermzellen unter Verwendung einer Kombinationsbehandlung von Wachstumsfaktoren etabliert . Diese Zellen exprimieren intermediäre Mesoderm-Markergene und könnten zu mehreren Zelltypen heranreifen, einschließlich solcher, die in intermediären Mesoderm-Derivaten wie Niere, Gonaden und Nebennierenrinde vorkommen. Diese Untersuchungen legen nahe, dass, wenn diese intermediären Mesodermzellen in renale Vorläuferzellen differenzieren können, eine 3D-Nierenstruktur aus pluripotenten Stammzellen aufgebaut werden kann. Die Mittel zur erfolgreichen Regeneration eines funktionellen Gefäßsystems zwischen der regenerierten Niere und dem Empfänger bleiben unbekannt. Darüber hinaus ist die In-vivo-Funktion einer regenerierten Niere unklar. Weitere Fortschritte in der Entwicklungsbiologie können diese Probleme jedoch lösen und die Regeneration der gesamten Niere in vitro ermöglichen.

Fazit

Dieser Artikel fasst die neuesten Untersuchungen zur Verwendung von Stammzellen zur Regeneration einer funktionellen Vollniere de novo zusammen. Trotz vieler biologischer und technischer Fortschritte bei der Nierenregeneration bleibt die Rekonstruktion einer voll funktionsfähigen Niere unerreichbar, und viele Probleme sind immer noch ungelöst. Die Verwendung von heterologem Gewebe, wie Xeno-Metanephroi und Xeno-Blastozysten, wirft ethische Probleme auf, während Methoden zur zuverlässigen Differenzierung von ESCs / iPSCs in Nieren in vitro nicht vollständig etabliert sind. Methoden zur Sicherstellung der Funktion von regeneriertem Nierengewebe zur Produktion von Urin und Erythropoetin müssen noch entwickelt werden. Weitere Bemühungen in der Stammzell- und Entwicklungsbiologie werden diese Probleme hoffentlich lösen und zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien führen, um eine ganze Niere mit adäquater Nierenfunktion zu rekonstruieren. Wir glauben, dass solche Bemühungen Früchte tragen werden und es in Zukunft möglich sein wird, eine funktionierende Niere zu regenerieren.

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