regeneracja nerek za pomocą komórek macierzystych: przegląd

Streszczenie

Tło: regeneracja nerek zyskuje obecnie znaczną uwagę zamiast dializy nerek jako ostatecznej strategii terapeutycznej niewydolności nerek. Jednak ze względu na powikłania anatomiczne uważa się, że nerki są najtrudniejszym organem do regeneracji. Tak skomplikowany narząd jest praktycznie niemożliwy do wyobrażenia jako całkowicie przebudowany de novo z komórek macierzystych. Niemniej jednak kilka grup badawczych próbuje tego dużego wyzwania. Podsumowanie: Istnieją 4 główne strategie de novo regeneracji nerek z komórek macierzystych. Strategie te obejmują zastosowanie: (i) odcelularyzowanego rusztowania zwłok, (ii) dekomplementacji blastocysty, (iii) nefrogennej niszy do uprawy kseno-embyro I (iv) potencjału samodzielnego montażu. Wszystkie te strategie mogą mieć zastosowanie w warunkach klinicznych, ale wydaje się, że wymagany jest znaczny okres przygotowania. Główne Przesłania: Chociaż wiele nierozstrzygniętych problemów pozostaje w regeneracji nerek, w tym kwestie etyczne i tworzenie struktur chimerycznych, badania dają nadzieję pacjentom dializowanym i oczekuje się, że regeneracja nerek stanie się rzeczywistością w przyszłości.

© 2014 s. Karger AG, Basel

wprowadzenie

nerka zachowuje potencjał do regeneracji, jeśli uszkodzenie nie jest zbyt poważne, a struktura nerek pozostaje nienaruszona. Jednak w przypadkach nieodwracalnego uszkodzenia nerek, co może wystąpić przy długotrwałej dializie, właściwość samoodnawiania jest całkowicie utracona. Dlatego każde zastosowanie leku regeneracyjnego u pacjentów dializowanych będzie wymagało de novo rozwoju całej funkcjonalnej nerki.

pod względem funkcjonalnej całej nerki, Chan i in. odnotowano pierwszą próbę opracowania całej funkcjonalnej jednostki nerkowej poprzez utworzenie przeszczepialnego pronefro z czapek zwierzęcych w Xenopus. Przeszczepienie tej jednostki pronephros-like przynajmniej częściowo skorygowane obrzęk w dwustronnie nefrektomizowanych kijanek, i przeżyli do 1 miesiąca. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, to badanie jest jedynym, w którym przeszczepialna funkcjonalna cała jednostka nerek została opracowana de novo. Jednak struktura pronefro uformowana w tym badaniu była zbyt prymitywna dla jakiegokolwiek zastosowania klinicznego u ludzi. Od tego czasu na całym świecie podjęto wiele prób regeneracji całych nerek de novo (mających zastosowanie u ssaków) z komórek macierzystych.

rekonstrukcja całej nerki przy użyciu Odcelularyzowanego rusztowania zwłok

doniesiono, że odcelularyzowane rusztowania zwłok mogą stanowić niszę dla komórek macierzystych do różnicowania się w całe narządy. Strategia ta została wykorzystana przez Ott et al. aby z powodzeniem opracować funkcjonalne sztuczne serce szczura. Rusztowanie całego serca z nienaruszoną trójwymiarową geometrią (3D) i unaczynieniem powstało poprzez perfuzję wieńcową z detergentami do serca Martwego, a następnie repopulację nowo narodzonych komórek serca lub komórek śródbłonka aorty szczura . Wstrzyknięte noworodkowe komórki serca utworzyły skurcz mięśnia sercowego, który pełnił funkcję udaru. Strategia ta została również wykorzystana do rozwoju przeszczepialnej wątroby i płuc przy użyciu dojrzałych komórek nabłonka hepatocytów i pęcherzyków płucnych, odpowiednio . Podjęto kilka prób wykorzystania tej techniki do regeneracji nerek. Próby te ujawniły, że infuzje pluripotencjalne komórki macierzyste były zlokalizowane do naczyń i kłębuszków, z późniejszą migracją do kanalików, ale trudno było nabyć funkcję nerek . Jednak ostatnio ta sama grupa, która z powodzeniem zastosowała metodę opisaną powyżej do wytworzenia serca i płuc, zgłosiła pomyślną regenerację całej nerki, która może wytwarzać mocz po przeszczepie . W szczególności wykorzystano dobrze zróżnicowane komórki śródbłonka żyły pępowinowej człowieka zamiast pluripotencjalnych komórek macierzystych, a zastosowanie tylko rusztowania selektywnie zapewniło im niszę do zróżnicowanego przekierowania nerkowych i naczyniowych komórek mieszkalnych w odpowiednim obszarze. Chociaż nie jest jasne, w jaki sposób infuzyjne komórki różnicują się i aranżują w nefrony z unaczynieniem w celu wytworzenia moczu, technika ta może być rozwiązaniem na niedobór narządów dawców.

uzupełnianie Blastocystami

wstrzyknięcie normalnych komórek macierzystych zarodka do blastocyst aktywujących rekombinację myszy z niedoborem genu 2, które nie mają dojrzałych limfocytów B lub T, wytwarza somatyczne Chimery z dojrzałymi komórkami B I T pochodzącymi z komórek ES . Ten system uzupełniania blastocystami został niedawno zastosowany do rekonstrukcji całego narządu. Kobayashi et al. niedawno odnotowano udaną regenerację trzustki szczura u myszy poprzez międzygatunkowe wstrzyknięcie blastocysty indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS). Wstrzyknęli komórki iPS szczura do Pdx-1-/- (pancreatogenesis-disabled) mysi blastocysty i odkryli, że nowonarodzone Chimery szczura i myszy przetwarzały prawie całkowicie pochodzącą z iPS trzustkę. Ten sukces udowadnia, że gdy dostarczana jest pusta nisza rozwojowa dla narządu, potomstwo komórkowe pochodzące z komórek iPS może zajmować tę niszę i kompensować rozwojowo brakującą zawartość niszy. Tworzy to skomplikowany narząd złożony prawie w całości z komórek pochodzących od dawców komórek iPS, nawet jeśli dopełnienie blastocytów obejmuje różne gatunki. Ta grupa badawcza niedawno wygenerowała Pdx-1-/- świnia i udało się wygenerować większą trzustkę za pomocą tej techniki . Te udane odkrycia sugerują, że ludzkie narządy mogą teoretycznie być generowane de novo.

technika ta została ostatnio zastosowana do rekonstrukcji całej nerki . Po wstrzyknięciu mysich komórek iPS do blastocyst myszy Sall1-null, które nie mają obu nerek, większość metanefroi składała się z zróżnicowanych komórek pochodzących z komórek iPS. Jednak nie mogli uzyskać niemowlęcia u zwierząt gospodarskich po tej manipulacji z nieznanego powodu, co sugeruje, że istnieje inny problem do rozwiązania w tym systemie regeneracji nerek. Jednak wyniki te zdecydowanie sugerują, że uzupełnienie blastocyst jest najbardziej obiecującą strategią regeneracji nerek. Systemy te nie są obecnie dostępne do użytku klinicznego, ponieważ nie jest możliwe generowanie układów naczyniowych i nerwowych. Ponadto ważne kwestie etyczne związane z manipulacją blastocystami z komórkami iPS pozostają nierozwiązane . Niemniej jednak sukces ten podkreśla uzasadnienie, że ewentualne kliniczne zastosowanie regeneracji nerek musi zależeć od programowania rozwojowego.

próbowano zastosować niszę Nefrogenną do hodowli zarodków Ksenogennych (metoda niszy Organogennej)

regeneracja całej funkcjonalnej nerki przy użyciu rozwijającego się heterozoicznego zarodka jako „fabryki organów”. Opiera się to na koncepcji „zapożyczania” programu rozwoju rozwijającego się kseno-embrionu poprzez zastosowanie komórek macierzystych w niszy organogenezy. Podczas rozwoju nerek, mezenchyma metanefryczna początkowo tworzy się z części ogonowej rdzenia nefrogennego i wydziela czynnik neurotroficzny pochodzący z linii komórek glejowych (GDNF). Proces ten pobudza pobliski przewód Wolffa do wytworzenia moczowodu. Naukowcy mikroinjected GDNF-ekspresji ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych (hMSCs) do miejsca pączkowania po tym procesie . Zarodek biorcy był hodowany w całym systemie hodowli zarodków, a uformowane nerki rozwijały się w hodowli narządowej. Manipulację wolną od wirusów można również przeprowadzić przy użyciu termorewersyjnego polimeru GDNF . W rezultacie, dawcy hmsc zostali zintegrowani z podstawowymi nerkami i morfologicznie zróżnicowani do komórek nabłonka kanalikowego, komórek śródmiąższowych i komórek nabłonka kłębuszkowego . Następnie naukowcy przeszczepili rozwinięte nerki do omentum, aby umożliwić integrację naczyniową z biorcą, tworząc funkcjonalny nefron. W rezultacie powstał pochodzący z hMSC „neokidney”, który zawierał ludzki nefron i unaczynienie od gospodarza . Ponadto neokidney wytwarzał mocz, który wykazywał wyższe stężenia azotu mocznikowego i kreatyniny niż surowice biorcy. Odkrycie to sugerowało, że neokidney, który rozwinął się w omentum, był zdolny do wytwarzania moczu poprzez filtrowanie krwi biorcy. Ponadto, pochodzący z hMSC neokidney wydzielał ludzką erytropoetynę, a jej wytwarzanie było stymulowane przez indukcję niedokrwistości u zwierzęcia-gospodarza . Wyniki te wskazują, że układ ten zachowuje prawidłową fizjologiczną regulację stężenia erytropoetyny. Jednak obecny system nie może zrekonstruować pochodnych pąka moczowodu. W związku z tym, w celu ustalenia, czy MSCs może różnicować się w progenitor pąka moczowodu za pomocą zarodków kurzych, hmscs wyrażające Pax2 wstrzyknięto do regionu progenitor pąka moczowodu kurczaka . W rezultacie migrowały one ogonowo z wydłużającym się przewodem wolffianowym i były zintegrowane z nabłonkiem wolffianowym, a następnie ulegały ekspresji LIM1. Odkrycie to wykazało, że mogą one różnicować się w komórki kanałowe Wolffa pod wpływem lokalnych sygnałów kseno-sygnałowych . Wyniki te sugerują, że całą nerkę można odbudować przez przeszczepienie hMSCs w odpowiednim czasie i miejscu w celu regeneracji pochodnych mezenchymy metanefrycznej i pąka moczowodowego.

opierając się na naszych udanych odkryciach, obecnie badamy możliwość eksperymentowania na większym zwierzęciu (tj. świni), ponieważ świńska nerka ma prawie taką samą objętość, jak ludzka nerka. Ostateczny rozmiar rozwiniętych nerek wydaje się być odciśnięty we wczesnych stadiach rozwoju zarodka gospodarza. Możliwość ta jest wspierana przez stwierdzenie, że metanephroi większych zwierząt przeszczepionych do omenta mniejszych gospodarzy rozwijają się w narządy o większej objętości (średnica i waga) w porównaniu do nerek normalnego gospodarza . Miejmy nadzieję, że system ten ułatwi rozwój większych narządów, które są bardziej odpowiednie do stosowania u ludzi (rys. 1).

potencjał samodzielnego montażu komórek macierzystych

niektórzy badacze sugerują, że pluripotencjalne komórki macierzyste mają potencjał do różnicowania się w dojrzałe komórki i samodzielnego montażu w tkanki lub narządy, i przeprowadzili badania z wykorzystaniem pluripotencjalnych komórek macierzystych do generowania dojrzałych komórek in vitro. Wykazano autonomiczne tworzenie tkanki 3D podobnej do adenohypofizy, nasadki wzrokowej i struktur tkanki jelitowej przy użyciu systemu hodowli komórek 3D ES z komórek ES. Takie podejście może znacznie zmniejszyć złożoność organogenezy dla regeneracji terapeutycznej. Aby zregenerować komórki nerek stosując takie podejście, komórki ES lub IPS należy różnicować na mezodermę pośrednią, a następnie na progenitor nerkowy, a następnie na kilka rodzajów komórek nerkowych. W odniesieniu do regeneracji nerek, Osafune et al. wykazano, że pojedyncza multipotentna komórka progenitorowa z embrionalnej nerki myszy, która wykazuje dużą ekspresję Sall1, może różnicować się w kilka rodzajów komórek nerkowych, w tym podocyty kłębuszkowe i nabłonek kanalików nerkowych, i ostatecznie zrekonstruować trójwymiarową strukturę nerki. W innym niedawnym badaniu odnotowano jednokomórkowe zawiesiny z embrionalnej nerki, które przekształcają się w organotypowe struktury nerek . Podczas rozwoju nerka pochodzi z mezodermy pośredniej, jednej z wczesnych warstw zarodkowych. Komórki mezodermy pośredniej różnicują się następnie w nerkowe komórki progenitorowe, a następnie kilka typów komórek nerkowych. W związku z tym, jeśli komórki ES lub IPS mogą różnicować się najpierw w mezodermę pośrednią, a następnie w nerkowe komórki progenitorowe, możliwe jest wytworzenie wszystkich typów komórek nerkowych za pomocą pluripotencjalnych komórek macierzystych. Osafune et al. ustaliły metody różnicowania ludzkich IPSC w pośrednie komórki mezodermy przy użyciu skojarzonego leczenia czynników wzrostu . Komórki te wyrażają pośrednie geny markerowe mezodermy i mogą dojrzewać do wielu typów komórek, w tym tych znajdujących się w pośrednich organach pochodnych mezodermy, takich jak nerki, gonady i kora nadnerczy. Badania te sugerują, że jeśli te pośrednie komórki mezodermy mogą różnicować się w nerkowe komórki progenitorowe, trójwymiarowa struktura nerek może być zbudowana z pluripotencjalnych komórek macierzystych. Sposoby skutecznej regeneracji funkcjonalnego układu naczyniowego między zregenerowaną nerką a biorcą pozostają nieznane. Ponadto funkcja in vivo zregenerowanej nerki jest niejasna. Jednak dalsze postępy w biologii rozwoju mogą rozwiązać te problemy i umożliwić in vitro regenerację całej nerki.

wnioski

Ten artykuł podsumowuje najnowsze badania nad wykorzystaniem komórek macierzystych do regeneracji funkcjonalnej całej nerki de novo. Pomimo wielu biologicznych i technicznych postępów w regeneracji nerek, odbudowa w pełni funkcjonalnej nerki pozostaje poza zasięgiem, a wiele problemów nadal nie zostało rozwiązanych. Zastosowanie tkanek heterologicznych, takich jak kseno-metanefroi i kseno-blastocysty, stwarza problemy etyczne, podczas gdy metody niezawodnego różnicowania ESC/iPSCs w nerkach in vitro nie zostały całkowicie ustalone. Nadal konieczne jest opracowanie metod zapewnienia funkcji zregenerowanej tkanki nerkowej w celu wytworzenia moczu i erytropoetyny. Jednakże, dalsze wysiłki w dziedzinie komórek macierzystych i biologii rozwoju, miejmy nadzieję, rozwiążą te problemy, prowadząc do opracowania nowych strategii leczenia w celu rekonstrukcji całej nerki z odpowiednią czynnością nerek. Wierzymy, że takie wysiłki zaowocują i w przyszłości będzie można zregenerować funkcjonalną nerkę.

kontakt z autorem

Szczegóły artykułu / publikacji

Copyright / dawkowanie leku / Disclaimer

Copyright: All rights reserved. Żadna część niniejszej publikacji nie może być tłumaczona na inne języki, powielana lub wykorzystywana w jakiejkolwiek formie lub za pomocą jakichkolwiek środków, elektronicznych lub mechanicznych, w tym kserowania, nagrywania, kopiowania lub za pomocą jakiegokolwiek systemu przechowywania i wyszukiwania informacji, bez pisemnej zgody Wydawcy.
dawkowanie leku: autorzy i wydawca dołożyli wszelkich starań, aby dobór leku i dawkowanie określone w niniejszym tekście były zgodne z aktualnymi zaleceniami i praktyką w momencie publikacji. Jednak w związku z trwającymi badaniami, zmianami w przepisach rządowych i stałym przepływem informacji dotyczących terapii lekowej i reakcji na lek, czytelnik jest proszony o sprawdzenie ulotki dla każdego leku pod kątem jakichkolwiek zmian we wskazaniach i dawkowaniu oraz o dodatkowe ostrzeżenia i środki ostrożności. Jest to szczególnie ważne, gdy zalecanym środkiem jest nowy i/lub rzadko stosowany lek.
Zastrzeżenie: Oświadczenia, opinie i dane zawarte w niniejszej publikacji są wyłącznie oświadczeniami poszczególnych autorów i współpracowników, a nie wydawców i redaktorów. Wyświetlanie reklam lub / i odniesień do produktów w publikacji nie stanowi gwarancji, poparcia lub zatwierdzenia reklamowanych produktów lub Usług ani ich skuteczności, jakości lub bezpieczeństwa. Wydawca i redaktor zrzekają się odpowiedzialności za jakiekolwiek szkody wyrządzone osobom lub mieniu wynikające z pomysłów, metod, instrukcji lub produktów, o których mowa w treści lub reklamach.