Regeneración Renal con células madre: Una visión general

Resumen

Antecedentes: La regeneración renal está ganando considerable atención en lugar de la diálisis renal como la estrategia terapéutica definitiva para la insuficiencia renal. Sin embargo, debido a complicaciones anatómicas, se cree que el riñón es el órgano más difícil de regenerar. Un órgano tan complicado es prácticamente imposible de imaginar que se reconstruya completamente de novo a partir de células madre. Sin embargo, varios grupos de investigación están intentando este gran desafío. Resumen: Hay 4 estrategias principales para la regeneración renal de novo a partir de células madre. Estas estrategias incluyen el uso de: (i) un armazón cadavérico descelularizado, (ii) la descomposición de blastocitos, (iii) un nicho nefrogénico para el cultivo de un xeno-embiro, y (iv) el potencial de autoensamblaje. Todas estas estrategias pueden ser aplicables en el entorno clínico, pero parece ser necesario un período de preparación sustancial. Mensajes Clave: Aunque quedan muchos problemas pendientes para la regeneración renal, incluidas cuestiones éticas y la formación de estructuras quiméricas, los ensayos proporcionan esperanza a los pacientes de diálisis y se espera que la regeneración renal sea una realidad en el futuro.

© 2014 S. Karger AG, Basilea

Introducción

El riñón conserva el potencial de regenerarse si el daño no es demasiado grave y la estructura renal permanece intacta. Sin embargo, en los casos de daño irreversible en el riñón, como puede ocurrir con la diálisis a largo plazo, la propiedad de la auto-renovación se pierde por completo. Por lo tanto, cualquier aplicación de medicina regenerativa en pacientes de diálisis requerirá el desarrollo de novo de un riñón funcional completo.

En términos de un riñón completo funcional, Chan et al. reportó el primer intento de desarrollar una unidad renal funcional completa mediante la formación de un pronephros trasplantable a partir de tapones de animales en Xenopus. El trasplante de esta unidad similar a pronefros corrigió al menos parcialmente el edema en renacuajos bilateralmente nefrectomizados, y sobrevivieron hasta 1 mes. Hasta donde sabemos, este estudio es el único en el que se ha desarrollado de novo una unidad renal completa funcional trasplantable. Sin embargo, la estructura de pronephros formada en este estudio era demasiado primitiva para cualquier aplicación clínica en humanos. Desde entonces, se han hecho muchos intentos en todo el mundo para regenerar riñones enteros de novo (aplicables en mamíferos) a partir de células madre.

Reconstrucción Renal completa Utilizando un armazón cadavérico descelularizado

Se ha reportado que los armazones cadavéricos descelularizados pueden proporcionar un nicho para que las células madre se diferencien en órganos enteros. Esta estrategia fue utilizada por Ott et al. desarrollar con éxito un corazón de rata artificial funcional. Se creó un armazón de corazón completo con una geometría tridimensional (3D) intacta y vasculatura mediante perfusión coronaria con detergentes en el corazón cadavérico, seguido de repoblación con células cardíacas neonatales o células endoteliales aórticas de rata . Las células cardíacas neonatales inyectadas formaron un miocardio contráctil, que realizó la función de accidente cerebrovascular. Esta estrategia también se ha empleado para desarrollar hígado y pulmones trasplantables utilizando hepatocitos maduros y células epiteliales alveolares, respectivamente . Se hicieron varios intentos de utilizar esta técnica para la regeneración renal. Estos intentos revelaron que las células madre pluripotentes infundidas estaban localizadas en la vasculatura y los glomérulos, con la migración posterior a los túbulos, pero era difícil adquirir la función renal . Sin embargo, recientemente el mismo grupo, que utilizó con éxito el método descrito anteriormente para generar corazón y pulmones, informó de una regeneración renal completa exitosa, que puede producir orina después del trasplante . En particular, utilizaron células endoteliales de venas umbilicales humanas bien diferenciadas en lugar de células madre pluripotentes, y el uso de solo un armazón selectivamente les proporcionó un nicho para la desviación diferenciada de las células residenciales renales y vasculares en el área correcta. Aunque no está claro cómo las células infundidas se diferencian y se orquestan en nefronas con vasculatura para producir orina, esta técnica podría ser una solución para la escasez de órganos de donantes.

Complementación de blastocitos

La inyección de células madre embrionarias normales en los blastocistos de ratones deficientes en el gen activador de recombinación 2, que no tienen linfocitos B o T maduros, genera quimeras somáticas con células B y T maduras derivadas de células ES . Este sistema de «complementación de blastocitos» se aplicó recientemente a la reconstrucción de todo el órgano. Kobayashi et al. recientemente se informó de la regeneración exitosa de un páncreas de rata en el ratón a través de una inyección de blastocitos interespecíficos de células madre pluripotentes inducidas (iPS). Inyectaron células IPS de rata en Pdx-1-/- blastocistos de ratón (con discapacidad pancreatogénica) y descubrió que las quimeras recién nacidas de la rata y el ratón procesaban un páncreas casi en su totalidad derivado de iPS. Este éxito demuestra que cuando se proporciona un nicho de desarrollo vacío para un órgano, la progenie celular derivada de células iPS puede ocupar ese nicho y compensar el desarrollo por el contenido faltante del nicho. Esto forma un órgano complicado compuesto casi en su totalidad de células derivadas de células iPS de donantes, incluso si la complementación de blastocitos involucra diferentes especies. Ese grupo de investigación generó recientemente un Pdx-1-/- cerdo y logró generar un páncreas más grande utilizando esta técnica . Estos hallazgos exitosos sugieren que los órganos a escala humana teóricamente podrían generarse de novo.

Esta técnica se aplicó recientemente a la reconstrucción renal completa . Después de la inyección de células iPS de ratón en los blastocistos de ratones Sall1-nulos, que carecen de ambos riñones, la mayoría de los metanefroos consistían en células diferenciadas derivadas de células iPS. Sin embargo , no pudieron obtener al bebé en el ganado después de esta manipulación por una razón desconocida, lo que sugiere que hay otro problema que resolver en este sistema para la regeneración renal. Sin embargo, estos hallazgos sugieren fuertemente que la complementación de blastocitos es una estrategia más prometedora para la regeneración del riñón. Estos sistemas no están disponibles para uso clínico en este momento porque no es posible generar sistemas vasculares y nerviosos. Además, siguen sin resolverse importantes cuestiones éticas relacionadas con la manipulación de blastocistos con células iPS . Sin embargo, este éxito pone de relieve la justificación de que la eventual aplicación clínica de la regeneración renal debe depender de la programación del desarrollo.

Se ha intentado utilizar un Nicho Nefrogénico para el Crecimiento de Xeno-Embriones (Método de Nicho Organogénico)

Se ha intentado la regeneración de un riñón funcional completo utilizando un embrión heterozoico en desarrollo como «fábrica de órganos». Esto se basa en el concepto de «tomar prestado» el programa de desarrollo de un xeno-embrión en crecimiento mediante la aplicación de células madre en el nicho de la organogénesis. Durante el desarrollo del metanefros, el mesénquima metanéfrico forma inicialmente a partir de la porción caudal de la médula y secreta de la línea celular glial factor neurotrófico derivado (GDNF). Este proceso induce al conducto wolffiano cercano a producir un brote ureteriano. Los investigadores microinyectaron GDNF, que expresaba células madre mesenquimales humanas (HMSC) en el sitio de la brotación después de este proceso . El embrión receptor se cultivó en un sistema de cultivo de embriones completo, y los metanéfros formados se desarrollaron en cultivo de órganos. La manipulación sin virus también se puede realizar utilizando un polímero GDNF termoreversible . Como resultado, las CMM de los donantes se integraron en los metanefros rudimentarios y se diferenciaron morfológicamente a células epiteliales tubulares, células intersticiales y células epiteliales glomerulares . Los investigadores trasplantaron los metanefros desarrollados en el omento para permitir la integración vascular desde el receptor para formar una nefrona funcional. Como resultado, se generó un ‘neokidney’ derivado de hMSC, que contenía una nefrona humana y la vasculatura del huésped . Además, el neokidney produjo orina que mostró concentraciones más altas de nitrógeno ureico y creatinina que los sueros del receptor. Este hallazgo sugirió que el neokidney que se desarrolló en el omento era capaz de producir orina al filtrar la sangre del receptor . Además, el neokidney derivado de hMSC secretaba eritropoyetina humana y su producción fue estimulada por la inducción de anemia en el animal huésped . Este hallazgo indicó que este sistema preserva la regulación fisiológica normal de los niveles de eritropoyetina. Sin embargo, el sistema actual no puede reconstruir derivados de la yema ureteral. Por lo tanto, para determinar si las CMM pueden diferenciarse en el progenitor de la yema ureteral utilizando embriones de pollo, se inyectaron CMM que expresaban Pax2 en la región progenitora de la yema ureteral de pollo . Como resultado, migraron caudalmente con el conducto wolffiano alargado y se integraron en el epitelio del conducto wolffiano y luego expresaron LIM1. Este hallazgo mostró que pueden diferenciarse en células de conductos wolffianos bajo la influencia de señales xeno locales . Estos resultados sugieren que un riñón entero puede ser reconstruida mediante el trasplante de hMSCs en un momento adecuado y la ubicación para regenerar derivados del mesénquima metanéfrico y la yema ureteral.

En base a nuestros hallazgos exitosos, actualmente estamos investigando la posibilidad de experimentar en un animal más grande (es decir, el cerdo) porque el riñón porcino tiene casi el mismo volumen que el riñón humano. El tamaño final de los metanefros desarrollados parece imprimirse durante las primeras etapas de desarrollo en el embrión huésped. Esta posibilidad está respaldada por el hallazgo de que los metanefrós de animales más grandes trasplantados a los omenta de huéspedes más pequeños se convierten en órganos con un volumen mayor (diámetro y peso) en comparación con el de un riñón huésped normal . Con suerte, este sistema facilitará el desarrollo de órganos más grandes que sean más adecuados para su uso en humanos (fig. 1).

Potencial de Autoensamblaje de Células Madre

Algunos investigadores han sugerido que las células madre pluripotentes tienen el potencial de diferenciarse en células maduras y autoensamblarse en tejidos u órganos, y han realizado investigaciones utilizando células madre pluripotentes para generar células maduras in vitro. Se ha demostrado la formación autónoma de tejido 3D similar a la adenohipófisis , la tapa óptica y las estructuras de tejido intestinal utilizando un sistema de cultivo de células ES en 3D a partir de células ES. Este enfoque podría reducir sustancialmente la complejidad de la organogénesis para la regeneración terapéutica. Para regenerar las células renales utilizando este enfoque, las células ES o iPS deben diferenciarse en primer mesodermo intermedio y luego progenitores renales, seguidos de varios tipos de células renales. Con respecto a la regeneración renal, Osafune et al. se demostró que una sola célula progenitora multipotente de un riñón embrionario de ratón, que expresa altamente Sall1, podría diferenciarse en varios tipos de células renales, incluidos podocitos glomerulares y epitelios tubulares renales, y finalmente reconstruir una estructura renal en 3D. Otro estudio reciente informó suspensiones unicelulares de la reagregación renal embrionaria para formar estructuras renales organotípicas . Durante el desarrollo, el riñón se deriva del mesodermo intermedio, una de las primeras capas germinales. Las células mesodérmicas intermedias se diferencian en progenitores renales, seguidos de varios tipos de células renales. Por lo tanto, si las células ES o iPS pueden diferenciarse primero en mesodermos intermedios y luego en progenitores renales, es factible que todos los tipos de células renales puedan generarse utilizando células madre pluripotentes. Osafune et al. han establecido métodos para diferenciar las células IPSC humanas en células mesodermas intermedias utilizando un tratamiento combinado de factores de crecimiento . Estas células expresan genes marcadores del mesodermo intermedio y podrían madurar en múltiples tipos de células, incluidas las que se encuentran en órganos derivados del mesodermo intermedio, como el riñón, las gónadas y la corteza suprarrenal. Estas investigaciones sugieren que, si estas células mesodermas intermedias pueden diferenciarse en células progenitoras renales, se puede construir una estructura renal 3D a partir de células madre pluripotentes. Los medios para regenerar con éxito un sistema vascular funcional entre el riñón regenerado y el receptor siguen siendo desconocidos. Además, la función in vivo de un riñón regenerado no está clara. Sin embargo, nuevos avances en la biología del desarrollo pueden resolver estos problemas y permitir la regeneración renal completa in vitro.

Conclusión

Este artículo resume las últimas investigaciones sobre el uso de células madre para regenerar un riñón completo funcional de novo. A pesar de muchos avances biológicos y técnicos en la regeneración renal, la reconstrucción de un riñón completamente funcional permanece fuera de su alcance, y muchos problemas siguen sin resolverse. El uso de tejido heterólogo, como los xeno-metanefrós y los xeno-blastocistos, plantea problemas éticos, mientras que no se han establecido completamente métodos para diferenciar de manera confiable los ESC/IPSC en los riñones in vitro. Todavía es necesario desarrollar métodos para garantizar la función del tejido renal regenerado en la producción de orina y eritropoyetina. Sin embargo, es de esperar que los esfuerzos continuos en células madre y biología del desarrollo resuelvan estos problemas, lo que conducirá al desarrollo de nuevas estrategias de tratamiento para reconstruir un riñón completo con una función renal adecuada. Creemos que tales esfuerzos darán sus frutos y que será posible regenerar un riñón funcional en el futuro.

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