regeneração renal com células-tronco: uma visão geral

resumo

antecedentes: a regeneração renal está atualmente ganhando considerável atenção no lugar da diálise renal como a estratégia terapêutica final para insuficiência renal. No entanto, devido a complicações anatômicas, acredita-se que o rim seja o órgão mais difícil de regenerar. Um órgão tão complicado é praticamente impossível imaginar ser completamente reconstruído de novo a partir de células-tronco. No entanto, vários grupos de pesquisa estão tentando esse grande desafio. Resumo: existem 4 estratégias principais para a regeneração renal de novo a partir de células-tronco. Essas estratégias incluem o uso de: (i) um andaime cadavérico descelularizado, (ii) descomplementação de blastocisto, (iii) um nicho nefrogênico para o cultivo de um Xeno-embyro e (iv) potencial de automontagem. Todas essas estratégias podem ser aplicáveis no ambiente clínico, mas parece ser necessário um período de preparação substancial. mensagem: Embora muitos problemas pendentes permaneçam para a regeneração renal, incluindo questões éticas e a formação de estruturas quiméricas, os ensaios fornecem esperança para pacientes em diálise e a regeneração renal deve ser uma realidade no futuro.

© 2014 S. Karger AG, Basel

introdução

o rim mantém o potencial de regeneração se o dano não for muito grave e a estrutura renal permanecer intacta. No entanto, em casos de danos irreversíveis ao rim, como pode ocorrer com diálise de longo prazo, a propriedade de auto-renovação é totalmente perdida. Portanto, qualquer aplicação de medicina regenerativa em pacientes em diálise exigirá o desenvolvimento de novo de todo um rim funcional.

em termos de um rim inteiro funcional, Chan et al. relatou a primeira tentativa de desenvolver toda uma unidade renal funcional, formando um pronephros transplantável a partir de tampas de animais em Xenopus. O transplante desta unidade semelhante a pronephros corrigiu pelo menos parcialmente o edema em girinos bilateralmente nefrectomizados, e eles sobreviveram por até 1 mês. Até onde sabemos, este estudo é o único em que uma unidade renal inteira funcional transplantável foi desenvolvida de novo. No entanto, a estrutura pronephros formada neste estudo era muito primitiva para qualquer aplicação clínica em humanos. Desde então, muitas tentativas foram feitas em todo o mundo para regenerar rins inteiros de novo (aplicáveis em mamíferos) a partir de células-tronco.

reconstrução renal inteira usando um andaime cadavérico Descelularizado

foi relatado que Andaimes cadavéricos descelularizados podem fornecer um nicho para as células-tronco se diferenciarem em órgãos inteiros. Essa estratégia foi utilizada por Ott et al. para desenvolver com sucesso um coração de rato artificial funcional. Um andaime de coração inteiro com uma geometria tridimensional intacta (3D) e vasculatura foi criado via perfusão coronariana com detergentes para o coração cadavérico, seguido de repopulação com células cardíacas neonatais ou células endoteliais aórticas de rato . As células cardíacas neonatais injetadas formaram um miocárdio contrátil, que desempenhava a função de acidente vascular cerebral. Essa estratégia também tem sido empregada para desenvolver fígado e pulmões transplantáveis usando células epiteliais hepatócitos e alveolares maduros, respectivamente . Várias tentativas foram feitas para usar essa técnica para regeneração renal. Essas tentativas revelaram que as células-tronco pluripotentes infundidas foram localizadas na vasculatura e nos glomérulos, com posterior migração para os túbulos, mas foi difícil adquirir a função renal . No entanto, recentemente, o mesmo grupo, que usou com sucesso o método descrito acima para gerar coração e pulmões, relatou regeneração renal completa bem-sucedida, que pode produzir urina após o transplante . Notavelmente, eles usaram células endoteliais da veia umbilical humana bem diferenciadas em vez de células-tronco pluripotentes, e o uso de apenas um suporte seletivamente forneceu-lhes um nicho para desvio diferenciado das células residenciais renais e vasculares na área direita. Embora não esteja claro como as células infundidas se diferenciam e se orquestram em néfrons com vasculatura para produzir urina, essa técnica pode ser uma solução para a escassez de órgãos doadores.

complementação de blastocisto

injeção de células-tronco embrionárias normais (ES) nos blastocistos de camundongos com deficiência de gene 2 ativador de recombinação, que não possuem linfócitos B ou T maduros, gera Quimeras somáticas com células B E T maduras derivadas de células ES. Este sistema de ‘complementação de blastocisto’ foi recentemente aplicado à reconstrução de todo o órgão. Kobayashi et al. recentemente relatou regeneração bem sucedida de um pâncreas de rato no rato através de uma injeção interespecífica de blastocisto de células-tronco pluripotentes induzidas (iPS). Eles injetaram células IPS de rato em Pdx-1-/- (pancreatogênese-desativado) blastocistos de rato e descobriram que as quimeras recém-nascidas Do Rato e do rato processavam um pâncreas quase inteiramente derivado de iPS. Esse sucesso prova que, quando um nicho de desenvolvimento vazio para um órgão é fornecido, a progênie celular derivada de células iPS pode ocupar esse nicho e compensar o desenvolvimento pelo conteúdo ausente do nicho. Isso forma um órgão complicado composto quase inteiramente de células derivadas de células iPS doadoras, mesmo que a complementação de blastócitos envolva diferentes espécies. Esse grupo de pesquisa gerou recentemente um Pdx-1-/- porco e conseguiu gerar um pâncreas maior usando esta técnica . Essas descobertas bem-sucedidas sugerem que órgãos em escala humana poderiam teoricamente ser gerados de novo.

esta técnica foi recentemente aplicada à reconstrução renal completa . Após a injeção de células IPS de camundongo nos blastocistos de camundongos Sall1-null, que não possuem os dois rins, a maioria dos metanephroi consistia em células diferenciadas derivadas de células iPS. No entanto, eles não conseguiram obter o bebê no gado após essa manipulação por uma razão desconhecida, sugerindo que há outro problema a resolver neste sistema para regeneração renal. No entanto, esses achados sugerem fortemente que a complementação do blastocisto é uma estratégia mais promissora para a regeneração do rim. Esses sistemas não estão disponíveis para uso clínico neste momento porque não é possível gerar sistemas vasculares e nervosos. Além disso, questões éticas importantes com a manipulação de blastocistos com células iPS permanecem sem solução . No entanto, esse sucesso destaca a justificativa de que a eventual aplicação clínica da regeneração renal deve depender da programação do desenvolvimento.

o uso de um nicho nefrogênico para o cultivo de Xeno-embriões (método de nicho Organogênico)

A Regeneração de um rim funcional inteiro usando um embrião heterozóico em desenvolvimento como uma ‘fábrica de órgãos’ foi tentada. Isso se baseia no conceito de “empréstimo” do programa de desenvolvimento de um Xeno-embrião em crescimento, aplicando células-tronco no nicho da organogênese. Durante o desenvolvimento dos metanefros, o mesênquima metanefrico se forma inicialmente a partir da porção caudal do cordão nefrogênico e secreta fator neurotrófico derivado da linha celular glial (GDNF). Este processo induz o ducto wolffiano próximo a produzir um botão ureterico. Os pesquisadores microinjectaram células-tronco mesenquimais humanas que expressam GDNF (hMSCs) no local de brotamento após esse processo . O embrião receptor foi cultivado em todo um sistema de cultura de embriões, e os metanefros formados foram desenvolvidos na cultura de órgãos. A manipulação livre de vírus também pode ser realizada usando um polímero GDNF termorreversível . Como resultado, os hMSCs doadores foram integrados aos metanefros rudimentares e morfologicamente diferenciados para células epiteliais tubulares, células intersticiais e células epiteliais glomerulares . Os pesquisadores então transplantaram os metanefros desenvolvidos para o omento para permitir a integração vascular do receptor para formar um néfron funcional. Como resultado, um ‘neokidney’ derivado do hMSC foi gerado, que continha um néfron humano e a vasculatura do hospedeiro . Além disso, o neokidney produziu urina que apresentou maiores concentrações de nitrogênio ureico e creatinina do que os soros do receptor. Este achado sugeriu que o neokidney que se desenvolveu no omento era capaz de produzir urina filtrando o sangue do receptor . Além disso, o neokidney derivado do hMSC secretou eritropoietina humana e sua produção foi estimulada pela indução de anemia no animal hospedeiro . Este achado indicou que este sistema preserva a regulação fisiológica normal dos níveis de eritropoietina. No entanto, o sistema atual pode não reconstruir derivados do botão ureterico. Portanto, para determinar se os MSCs podem se diferenciar no progenitor de broto ureterico usando embriões de pintinho, os hMSCs expressando Pax2 foram injetados na região progenitora de broto ureterico de frango . Como resultado, eles migraram caudalmente com o ducto wolffiano alongado e foram integrados ao epitélio do ducto wolffiano e então expressaram LIM1. Este achado mostrou que eles podem se diferenciar em células do ducto wolffiano sob a influência de Xeno-sinais locais . Esses resultados sugerem que um rim inteiro pode ser reconstruído pelo transplante de hMSCs em um momento e local adequados para regenerar derivados do mesênquima metanefrico e do botão ureterico.

com base em nossas descobertas bem-sucedidas, estamos atualmente investigando a possibilidade de experimentar um animal maior (ou seja, o porco) porque o rim suíno tem quase o mesmo volume que o rim humano. O tamanho final dos metanefros desenvolvidos parece ser impresso durante os estágios iniciais de desenvolvimento no embrião hospedeiro. Essa possibilidade é apoiada pela descoberta de que o metanefroi de animais maiores transplantados para o omenta de hospedeiros menores se desenvolve em órgãos com maior volume (diâmetro e peso) em comparação com o de um rim hospedeiro normal . Esperançosamente, este sistema facilitará o desenvolvimento de órgãos maiores que são mais adequados para uso em humanos (Fig. 1).

Self-Assembly de Potencial das Células-Tronco

Alguns pesquisadores têm sugerido que as células-tronco pluripotentes têm o potencial de se diferenciar em células maduras e auto-monte em tecidos ou órgãos, e eles têm realizado investigações usando células-tronco pluripotentes para gerar células maduras in vitro. A formação autônoma de tecido 3D semelhante à adenohipófise , a tampa óptica e estruturas de tecido intestinal usando um sistema de cultura de células 3D ES a partir de células ES foi demonstrada. Essa abordagem poderia reduzir substancialmente a complexidade da organogênese para regeneração terapêutica. Para regenerar células renais usando tal abordagem, as células ES ou iPS devem ser diferenciadas em primeiro mesoderma intermediário e depois progenitores renais, seguidos por vários tipos de células renais. No que diz respeito à regeneração renal, Osafune et al. demonstrou que uma única célula progenitora multipotente de um rim embrionário de camundongo, que expressa altamente Sall1, poderia se diferenciar em vários tipos de células renais, incluindo podócitos glomerulares e epitélios tubulares renais, e eventualmente reconstruir uma estrutura renal 3D. Outro estudo recente relatou suspensões unicelulares de reagregação renal embrionária para formar estruturas renais organotípicas . Durante o desenvolvimento, o rim é derivado do mesoderma intermediário, uma das primeiras camadas germinativas. As células mesodermas intermediárias então se diferenciam em progenitores renais, seguidas por vários tipos de células renais. Portanto, se as células ES ou iPS podem se diferenciar primeiro em mesoderma intermediário e depois em progenitores renais, é viável que todos os tipos de células renais possam ser gerados usando células-tronco pluripotentes. Osafune et al. estabeleceram métodos para diferenciar iPSCs humanos em células mesodermas intermediárias usando um tratamento combinado de fatores de crescimento . Essas células expressam genes marcadores de mesoderma intermediários e podem amadurecer em vários tipos de células, incluindo aqueles encontrados em órgãos intermediários derivados de mesoderma, como rim, gônadas e córtex adrenal. Essas investigações sugerem que, se essas células mesodermas intermediárias podem se diferenciar em células progenitoras renais, uma estrutura renal 3D pode ser construída a partir de células-tronco pluripotentes. Os meios para regenerar com sucesso um sistema vascular funcional entre o rim regenerado e o receptor permanecem desconhecidos. Além disso, a função in vivo de um rim regenerado não é clara. No entanto, novos avanços na biologia do desenvolvimento podem resolver esses problemas e permitir a regeneração renal completa in vitro.

conclusão

Este artigo resume as últimas investigações sobre o uso de células-tronco para regenerar um rim inteiro funcional de novo. Apesar de muitos avanços biológicos e técnicos na regeneração renal, a reconstrução de um rim totalmente funcional permanece fora de alcance, e muitos problemas ainda não estão resolvidos. O uso de tecido heterólogo, como xeno-metanefroi e Xeno-blastocistos, levanta problemas éticos, enquanto os métodos para diferenciar de forma confiável ESCs/iPSCs em rins in vitro não foram completamente estabelecidos. Métodos para garantir a função do tecido renal regenerado para produzir urina e eritropoietina ainda precisam ser desenvolvidos. No entanto, esforços contínuos em células-tronco e biologia do desenvolvimento irão resolver esses problemas, levando ao desenvolvimento de novas estratégias de tratamento para reconstruir um rim inteiro com função renal adequada. Acreditamos que tais esforços se concretizarão e será possível regenerar um rim funcional no futuro.

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