Njurregenerering med stamceller: en översikt

Abstrakt

Bakgrund: Njurregenerering får för närvarande stor uppmärksamhet i stället för njurdialys som den ultimata terapeutiska strategin för njursvikt. Men på grund av anatomiska komplikationer tros njurarna vara det svåraste organet att regenerera. Ett sådant komplicerat organ är praktiskt taget omöjligt att föreställa sig att vara helt ombyggd de novo från stamceller. Ändå försöker flera forskargrupper denna stora utmaning. Sammanfattning: det finns 4 stora strategier för de novo njurregenerering från stamceller. Dessa strategier inkluderar användningen av: (i) en decellulariserad kadaverisk byggnadsställning, (ii) blastocystkomplementering, (iii) en nefrogen nisch för odling av en xeno-embyro och (iv) självmonteringspotential. Alla dessa strategier kan vara tillämpliga i klinisk miljö, men en betydande förberedelseperiod verkar krävas. Viktiga Budskap: Även om många utestående problem kvarstår för njurregenerering, inklusive etiska problem och bildandet av chimära strukturer, ger försök hopp för dialyspatienter och njurregenerering förväntas bli verklighet i framtiden.

2014 S. Karger AG, Basel

Inledning

njuren behåller potentialen att regenerera om skadan inte är för svår och njurstrukturen förblir intakt. Men i fall av irreversibel skada på njurarna, som kan uppstå vid långvarig dialys, är egenskapen för självförnyelse helt förlorad. Därför kommer all användning av regenerativ medicin hos dialyspatienter att kräva de novo utveckling av en hel funktionell njure.

när det gäller en funktionell hel njure, Chan et al. rapporterade det första försöket att utveckla en hel funktionell renal enhet genom att bilda en transplanterbar pronephros från djurhattar i Xenopus. Transplantation av denna pronephros-liknande enhet korrigerade åtminstone delvis ödemet i bilateralt nefrektomiserade tadpoles, och de överlevde i upp till 1 månad. Så vitt vi vet är denna studie den enda där en transplanterbar funktionell hel njurenhet har utvecklats de novo. Pronephros-strukturen som bildades i denna studie var emellertid för primitiv för någon klinisk tillämpning hos människor. Sedan dess har många försök gjorts över hela världen för att regenerera hela njurar de novo (tillämpligt i däggdjur) från stamceller.

hela Njurrekonstruktion med hjälp av en Decellulariserad kadaverisk byggnadsställning

det har rapporterats att decellulariserade kadaveriska byggnadsställningar kan ge en nisch för stamceller att differentiera till hela organ. Denna strategi användes av Ott et al. att framgångsrikt utveckla ett funktionellt konstgjort råtthjärta. En helhjärtsställning med en intakt tredimensionell (3D) geometri och vaskulatur skapades via koronar perfusion med tvättmedel i det kadaveriska hjärtat, följt av repopulation med neonatala hjärtceller eller råtta aorta endotelceller . De injicerade neonatala hjärtcellerna bildade ett kontraktilt myokardium, vilket utförde strokefunktionen. Denna strategi har också använts för att utveckla transplanterbar lever och lungor med hjälp av mogna hepatocyt-och alveolära epitelceller . Flera försök gjordes att använda denna teknik för njurregenerering. Dessa försök avslöjade att infunderade pluripotenta stamceller lokaliserades till kärl och glomeruli, med efterföljande migration i tubulerna, men det var svårt att förvärva njurfunktion . Men nyligen samma grupp, som framgångsrikt använde den ovan beskrivna metoden för att generera hjärta och lungor, rapporterade framgångsrik hel njurregenerering, vilket kan producera urin efter transplantation . I synnerhet använde de väl differentierade humana navelvenendotelceller istället för pluripotenta stamceller, och användning av endast en byggnadsställning gav dem selektivt en nisch för differentierad avledning av njur-och vaskulära bostadsceller i rätt område. Även om det inte är klart hur de infunderade cellerna differentierar och orkestrerar i nefroner med kärl för att producera urin, kan denna teknik vara en lösning för bristen på givarorgan.

Blastocystkomplementering

injektion av normala embryonala stamceller (ES) i blastocysterna av rekombinationsaktiverande Gen 2-bristfälliga möss, som inte har några mogna B-eller T-lymfocyter, genererar somatiska chimärer med ES-cell-härledda mogna B-och T-celler . Detta ’blastocystkomplementering’ – system tillämpades nyligen på rekonstruktion av hela organet. Kobayashi et al. nyligen rapporterade framgångsrik regenerering av en råttpankreas i musen via en interspecifik blastocystinjektion av inducerade pluripotenta stamceller (iPS). De injicerade råtta iPS-celler i Pdx-1-/- musblastocyster och fann att de nyfödda chimärerna hos råtta och mus behandlade en nästan helt iPS-härledd bukspottkörtel. Denna framgång visar att när en tom utvecklingsnisch för ett organ tillhandahålls kan iPS-cell-härledda cellulära avkommor uppta den nischen och kompensera utvecklingsmässigt för det saknade innehållet i nischen. Detta bildar ett komplicerat organ som nästan helt består av celler som härrör från donator-iPS-celler, även om blastocytkomplementeringen involverar olika arter. Den forskargruppen genererade nyligen en Pdx-1-/- gris och lyckades generera en större bukspottkörtel med denna teknik . Dessa framgångsrika fynd tyder på att organ i mänsklig skala teoretiskt kunde genereras de novo.

denna teknik tillämpades nyligen på rekonstruktion av hela njurarna . Efter injektion av mus-iPS-celler i blastocysterna hos Sall1-null-möss, som saknar båda njurarna, bestod de flesta av metanephroi av IPS-cell-härledda differentierade celler. De kunde emellertid inte få spädbarnet i boskap efter denna manipulation av okänd anledning , vilket tyder på att det finns ett annat problem att lösa i detta system för njurregenerering. Dessa resultat tyder dock starkt på att blastocystkomplementering är en mest lovande strategi för regenerering av njurarna. Dessa system är inte tillgängliga för klinisk användning just nu eftersom det inte är möjligt att generera kärl-och nervsystem. Dessutom förblir viktiga etiska problem med manipulering av blastocyster med iPS-celler olösta . Ändå framhäver denna framgång motiveringen att den eventuella kliniska tillämpningen av njurregenerering måste bero på utvecklingsprogrammering.

användning av en nefrogen nisch för odling av Xeno-embryon (Organogen Nischmetod)

regenerering av en hel funktionell njure med hjälp av ett utvecklande heterozoiskt embryo som en organfabrik har försökts. Detta bygger på begreppet ’låna’ utvecklingsprogrammet för en växande xeno-embryo genom att tillämpa stamceller på nisch av organogenes. Under utvecklingen av metanephros bildas det metanephriska mesenkymet initialt från den kaudala delen av den nefrogena sladden och utsöndrar glialcellinje-härledd neurotrofisk faktor (GDNF). Denna process inducerar den närliggande wolffian-kanalen för att producera en ureterisk knopp. Forskare mikroinjekterade GDNF-Uttryckande humana mesenkymala stamceller (hMSCs) till platsen för spirande efter denna process . Det mottagande embryot odlades i ett helt embryokultursystem, och de bildade metanephros utvecklades i organkultur. Viral-fri manipulation kan också utföras med användning av en termoreversibel GDNF-polymer . Som ett resultat integrerades donatorhmsc i de rudimentära metanephros och differentierades morfologiskt till tubulära epitelceller, interstitiella celler och glomerulära epitelceller . Forskare transplanterade sedan de utvecklade metanephros i omentum för att tillåta vaskulär integration från mottagaren för att bilda en funktionell nefron. Som ett resultat genererades en hMSC-härledd ’neokidney’, som innehöll en mänsklig nefron och kärl från värden . Dessutom producerade neokidney urin som visade högre koncentrationer av ureakväve och kreatinin än mottagarens sera. Detta resultat föreslog att neokidney som utvecklades i omentum kunde producera urin genom att filtrera mottagarens blod . Vidare utsöndrade hMSC-härledd neokidney humant erytropoietin och dess produktion stimulerades genom induktion av anemi hos värddjuret . Detta resultat indikerade att detta system bevarar den normala fysiologiska regleringen av erytropoietinnivåerna. Det nuvarande systemet kan emellertid inte rekonstruera derivat av ureterisk knopp. Därför, för att avgöra om MSC kan differentiera sig till ureteric bud progenitor med hjälp av kycklingembryon, injicerades hmsc som uttryckte Pax2 i kyckling ureteric bud progenitor region . Som ett resultat migrerade de caudalt med den långsträckta wolffian-kanalen och integrerades i wolffian duct epithelia och uttryckte sedan LIM1. Detta resultat visade att de kan differentiera sig till wolffian kanalceller under påverkan av lokala xeno-signaler . Dessa resultat tyder på att en hel njure kan byggas om genom att transplantera hmsc vid en lämplig tidpunkt och plats för att regenerera derivat av metanephric mesenkym och ureterisk knopp.

baserat på våra framgångsrika resultat undersöker vi för närvarande möjligheten att experimentera på ett större djur (dvs. grisen) eftersom grisnjuren har nästan samma volym som den mänskliga njuren. Den ultimata storleken på de utvecklade metanephros verkar präglas under de tidiga utvecklingsstadierna i värdembryot. Denna möjlighet stöds av upptäckten att metanephroi hos större djur transplanterade i omenta hos mindre värdar utvecklas till organ med en större volym (diameter och vikt) jämfört med den hos en normal värddjur . Förhoppningsvis kommer detta system att underlätta utvecklingen av större organ som är mer lämpliga för användning hos människor (fig. 1).

Självmonteringspotential för stamceller

vissa forskare har föreslagit att pluripotenta stamceller har potential att differentiera till mogna celler och självmontera i vävnader eller organ, och de har genomfört undersökningar med pluripotenta stamceller för att generera mogna celler in vitro. Den autonoma bildningen av 3D-vävnad som liknar adenohypofysen , det optiska locket och tarmvävnadsstrukturerna med hjälp av ett 3D ES-cellodlingssystem från ES-Celler har visats. Detta tillvägagångssätt kan väsentligt minska komplexiteten hos organogenes för terapeutisk regenerering. För att regenerera njurceller med hjälp av ett sådant tillvägagångssätt måste ES-eller iPS-celler differentieras till första mellanliggande mesoderm och sedan renala stamfäder, följt av flera typer av njurceller. När det gäller njurregenerering, Osafune et al. demonstrerade att en enda multipotent stamcell från en embryonal musnjur, som starkt uttrycker Sall1, kunde skilja sig åt i flera typer av njurceller, inklusive glomerulära podocyter och renal tubulär epitel, och så småningom rekonstruera en 3D-njurstruktur. En annan ny studie rapporterade encelliga suspensioner från embryonal njurreagregering för att bilda organotypiska njurstrukturer . Under utveckling härrör njuren från mellanliggande mesoderm, ett av de tidiga bakterielagren. Mellanliggande mesodermceller differentierar sedan till renala stamfäder, följt av flera typer av njurceller. Därför, om ES-eller iPS-celler kan differentiera först till mellanliggande mesoderm och sedan till renala stamfäder, är det möjligt att alla typer av njurceller kan genereras med hjälp av pluripotenta stamceller. Osafune et al. har etablerat metoder för att differentiera humana IPSC i mellanliggande mesodermceller med hjälp av en kombinationsbehandling av tillväxtfaktorer . Dessa celler uttrycker mellanliggande mesodermmarkörgener och kan mogna till flera celltyper, inklusive de som finns i mellanliggande mesodermderivatorgan såsom njurarna, gonaderna och binjurebarken. Dessa undersökningar tyder på att om dessa mellanliggande mesodermceller kan differentieras till renala stamceller, kan en 3D-njurstruktur konstrueras från pluripotenta stamceller. Medlen för att framgångsrikt regenerera ett funktionellt kärlsystem mellan den regenererade njuren och mottagaren förblir okända. Dessutom är in vivo-funktionen hos en regenererad njure oklar. Ytterligare framsteg inom utvecklingsbiologi kan dock lösa dessa problem och tillåta in vitro hela njurregenerering.

slutsats

denna artikel sammanfattar de senaste undersökningarna om användning av stamceller för att regenerera en funktionell hel njure de novo. Trots många biologiska och tekniska framsteg inom njurregenerering förblir rekonstruktion av en fullt fungerande njure utom räckhåll, och många problem är fortfarande olösta. Användning av heterologvävnad, såsom xeno-metanephroi och xeno-blastocyster, väcker etiska problem, medan metoder för att på ett tillförlitligt sätt differentiera Esc/IPSC till njurar in vitro inte har fastställts fullständigt. Metoder för att säkerställa funktionen av regenererad njurvävnad för att producera urin och erytropoietin behöver fortfarande utvecklas. Men fortsatta ansträngningar inom stamcell och utvecklingsbiologi kommer förhoppningsvis att lösa dessa problem, vilket leder till utveckling av nya behandlingsstrategier för att rekonstruera en hel njure med adekvat njurfunktion. Vi tror att sådana ansträngningar kommer att förverkligas och det kommer att vara möjligt att regenerera en funktionell njure i framtiden.

författare kontakter

artikel – / Publikationsdetaljer

Copyright / drog dosering / Disclaimer

Copyright: Alla rättigheter förbehållna. Ingen del av denna publikation får översättas till andra språk, reproduceras eller användas i någon form eller på något sätt, elektroniskt eller mekaniskt, inklusive fotokopiering, inspelning, mikrokopiering eller genom något informationslagrings-och hämtningssystem, utan skriftligt tillstånd från utgivaren.
läkemedelsdosering: författarna och utgivaren har utövat allt för att säkerställa att läkemedelsval och dosering som anges i denna text överensstämmer med nuvarande rekommendationer och praxis vid tidpunkten för publiceringen. Med tanke på pågående forskning, förändringar i statliga föreskrifter och det ständiga flödet av information om läkemedelsbehandling och läkemedelsreaktioner uppmanas läsaren att kontrollera bipacksedeln för varje läkemedel för eventuella förändringar i indikationer och doser och för extra varningar och försiktighetsåtgärder. Detta är särskilt viktigt när det rekommenderade medlet är ett nytt och/eller sällan använt läkemedel.
ansvarsfriskrivning: uttalandena, åsikterna och uppgifterna i denna publikation är enbart de enskilda författarna och bidragsgivarna och inte förläggarna och redaktörerna. Utseendet på annonser eller / och produktreferenser i publikationen är inte en garanti, godkännande eller godkännande av de produkter eller tjänster som annonseras eller av deras effektivitet, kvalitet eller säkerhet. Utgivaren och redaktören frånsäger sig ansvaret för eventuella skador på personer eller egendom till följd av ideer, metoder, instruktioner eller produkter som avses i innehållet eller annonserna.