Modelarea bolii cu organoizi renali

Abstract:Boli de rinichiadesea le lipsesc tratamentele optime, provocând milioane de decese în fiecare an. Astfel, se dezvoltă sisteme model adecvate de studiatboala de rinichi umaneste de maximă importanță. Unele dintre cele mai promițătoare modele de rinichi umani sunt organoidele sau colectivele de țesut asemănătoare cu organe mici, derivate din celule stem pluripotente induse de om (hiPSC). Cu toate acestea, se aseamănă mai mult cu primul trimestrurinichi fetaldecât un rinichi adult. Prin urmare, sunt necesare noi strategii pentru a-și avansa maturitatea. Au un mare potențial pentru modelarea bolii și eventual terapie auxiliară dacă pot ajunge la maturitatea unuirinichi adult. În această revizuire, vom discuta starea actuală a organoizilor renali în ceea ce privește asemănarea lor cu rinichiul uman și utilizarea ca sistem de modelare a bolii până acum. Vom discuta apoi potențiale căi de avansarematuritatea rinichiuluiorganoizi pentru a se potrivi cu un rinichi adult pentru o modelare mai precisă a bolii umane.

Cuvinte cheie: organoizi;rinichi; dezvoltare; metanefros; ureter; tubul; cip; nefrologie; modelarea bolii

CLICK AICI PENTRU CISTANCHE PENTRU TRATAMENTE CKD

1. Introducere

Până de curând, bolile umane au fost modelate în următoarele două moduri: cu animale sau cu cultură celulară bidimensională. Modelele animale permit studiul căilor bolii și dezvoltarea medicamentelor în organisme întregi, dar nu țin cont de structura genetică și anatomică umană. Pe de altă parte, cultura de celule umane permite oamenilor de știință să studieze mecanismele bolii specifice omului și să evalueze tratamentele la o adâncime moleculară mare și precisă. Cu toate acestea, cultura celulară nu recapitulează structura complexă tridimensională și fiziologia unui organ.

Organoizii umani sunt versiuni simplificate ale organelor umane, cu microanatomie tridimensională realistă și funcții la nivel de organ (de exemplu, producția de lacrimi în organoidele lactate și creșterea părului în organoidele pielii) [1,2]. Prin procese de auto-organizare, ele sunt derivate in vitro din celule tisulare sau celule stem pluripotente. Celulele stem pluripotente induse (iPSC), inventate în 2008 de Takahashi și Yamanaka, sunt cele mai populare celule pentru formarea organoidelor [3]. Acest lucru se datorează mai multor avantaje convingătoare pe care le oferă iPSC-urile. În primul rând, ele oferă o sursă celulară regenerabilă nelimitată și se pot diferenția în mai multe tipuri de celule. Mai important, ele reprezintă compoziția genetică de bază a pacienților. Astfel, iPSC-urile umane derivate de la pacient (hiPSC) pot fi utilizate pentru a studia boala prin organoizi la nivel individual, permițând progrese în medicina personalizată. Până în prezent, modelele organoide ale diferitelor organe umane, cum ar fi inima și creierul, au fost folosite pentru a studia bolile. Pentru această revizuire, ne vom concentra asupra organoizilor renali și vom discuta despre modul în care aceștia pot fi utilizați pentru a modela rinichiul uman și bolile asociate acestuia, pentru a verifica toxicitatea medicamentului și, probabil, pentru a suplimenta funcția rinichilor.

Boala de rinichi afectează 10% din populația lumii [4]. În ciuda identificării cauzei genetice care stau la baza multor forme de boli de rinichi, nu există terapii optime disponibile pentru a le gestiona. Această situație nefericită reflectă lipsa sistemelor model in vitro care recapitulează boala renală umană pentru o dezvoltare terapeutică țintită. Organoizii renali oferă o platformă de cercetare 3-D, personalizabilă, bazată pe oameni, pentru a investiga bolile genetice ale rinichilor, leziunile renale și toxicitatea medicamentelor. Împreună cu capacitatea sa de a servi ca sistem de modelare, un organoid de rinichi are potențialul de a avansa în medicina de transplant. Astfel, pentru a-și maximiza potențialul în ambele domenii, organoidul renal trebuie să semene cu structura și funcția rinichiului uman adult. Aici, vom revizui starea actuală a organoidului renal uman derivat din celule pluripotente, utilizările sale potențiale și domeniile de îmbunătățire.

2. Rinichiul uman vs. Organoizi renali

HiPSC-urile servesc ca proxy pentru PSC-urile embrionare. Astfel, formarea unui organoid de rinichi din hiPSC implică replicarea dezvoltării rinichilor embrionari umani. Mai jos, vom explora modul în care este dezvoltat organoidul renal și îl vom compara cu rinichiul uman.

2.1. Dezvoltarea rinichilor umani

Sângele este filtrat în trei faze distincte de-a lungul dezvoltării embrionare. În prima fază, o structură numită pronefros se dezvoltă în embrionul uman vechi de 4-săptămână și procesează sângele în regiunea cervicală până în jurul săptămânii 5 [5]. Apoi, mezonefrosul se formează în regiunea toracică a embrionului și filtrează sângele de la începutul săptămânii 5 până la aproximativ săptămâna 10 de dezvoltare embrionară. În timp ce mezonefrosul filtrează sângele, sistemul final de filtrare, care va deveni în cele din urmărinichi adult, începe să se formeze (Figura 1). Se formează în următoarele două părți: mezenchimul metanefric și mugurele ureter. Mezenchimul metanefric formează toate părțile nefronului, cu excepția canalului colector, în timp ce mugurele ureteral formează canalul colector. Aceste structuri trec printr-un ciclu de inducție reciprocă, în care mezenchimul metanefric și mugurele ureter stimulează creșterea unul altuia și fuzionează, formând o structură numită metanefros. Metanefroile nou formate filtrează sângele de la ramurile iliace până în regiunea pelviană. În același timp, mugurele ureteral se bifurcă și continuă să se ramifice pentru a forma multe canale colectoare în interiorul rinichiului [6,7]. Ulterior, aceste structuri metanefrice fuzionate urcă în regiunea abdomenului embrionului pe măsură ce se dezvoltă și formează alimentarea cu sânge din aorta primitivă. Aceste procese sunt rezumate în Figura 1. Este important de remarcat faptul că mezenchimul metanefric și celulele mugurilor ureterelor sunt primitive și, astfel, mențin potențialul multipotent, în timp ce celulele renale diferențiate adulte sunt angajate în linia lor particulară [8].

Figura 1. Dezvoltarea sistemului urinar uman de la săptămânile 4 până la 9 în uter.

2.2. Protocoale pentru a genera organoizi renali

Organoizii renali pot fi formați din celule diferențiate derivate din țesut sau din celule stem pluripotente. Pentru a dezvolta un organoid renal din celule derivate din țesut, se pot aranja celulele adulte diferențiate în spațiu tridimensional ex vivo pentru a imita arhitectura organelor umane [9]. Protocoalele organoide pentru celulele diferențiate derivate din țesut sunt acoperite în altă parte. În această revizuire, ne vom concentra pe organoizii renali derivati ​​din celule stem. Pentru a crea aceste sisteme, oamenii de știință pot cultiva celule stem pluripotente în prezența morfogenilor endogeni specifici rinichilor și a componentelor extracelulare. Celulele stem se pot autoasambla apoi în structuri asemănătoare rinichilor, mimând dezvoltarea rinichilor embrionari. Organele, cum ar fi intestinul, adăpostesc populații de celule stem endogene în țesutul adult cu care oamenii de știință pot crea organoizi [10]. Cu toate acestea, deoarece nu există dovezi clare că un rinichi uman adult conține o nișă de celule stem, organoizii renali derivati ​​din celule stem trebuie să fie fabricați din celule stem pluripotente (fie embrionare, fie hiPSC) [11].

Organoizii renali derivati ​​din celule stem pot fi clasificați în următoarele două categorii: organoizi nefron progenitor (NP) și organoizi muguri ureterali (UB). Ambele tipuri de organoizi au fost bine stabilite ca modele de boală. Organoizii NP seamănă cu mezenchimul metanefric, care conține celule NP multipotente. De fapt, o singură celulă mezenchimală metanefrică poate da naștere la toate celulele epiteliale ale nefronului, excluzând ductul colector [8]. Metodologiile pentru generarea de organoizi NP derivați de hiPSC includ cultura 2D cu agregare ulterioară într-o placă transwell poroasă (de exemplu, Takasato și colab. (2016), Morizane și colab. (2015)) sau cultura 3D într-un hidrogel (de exemplu, Freedman și colab. (2015)) [12–14]. Acești organoizi dezvoltă structuri glomerulare și tubulare. Organoizii NP derivati ​​din două dintre cele mai populare protocoale NP de Takasato și Morizane au fost comparați într-o analiză omică extinsă de Wu și colab. (2018) [15]. Ei au descoperit că, în timp ce protocolul Takasato generează aproximativ 11% celule asemănătoare podocitelor și 21% celule ne-țintă per organoid, protocolul Morizan generează aproximativ 28,5% celule asemănătoare podocitelor și 14,3% celule nețintă [15]. Organoizii lui Takasato par, de asemenea, să dezvolte o cantitate mică de regiuni asemănătoare UB, dar imită predominant mezenchimul metanefric, clasificându-i astfel drept organoizi NP [12]. Mai mult, Morizane et al. (2015) și Takasato și colab. (2016) protocoalelor le lipsește un mediu extracelular de hidrogel care este prezent în cel al lucrării lui Freedman și colab. (2015) [14]. Garreta și colab. (2019) susțin că prezența unui hidrogel în formarea organoidelor îmbunătățește formarea structurii rinichilor și îmbunătățește producția de markeri IM timpurii, markeri IM posteriori și markeri IM anteriori [16].

Spre deosebire de organoizii NP, organoizii UB imită mugurele ureteral, care dă naștere sistemului de conducte colectoare. Metodele de generare a organoidelor UB au fost dezvoltate mai recent și includ cultivarea corpului embrionar și agregarea ulterioară la godeuri cu aderență scăzută [17]. Acești organoizi au structuri tubulare și conducte colectoare. În cele din urmă, organoizii NP și UB au fost, de asemenea, combinați pentru a genera structuri de co-cultură de ordin superior pentru recapitularea omului adult.fenotipuri renale[17]. Cele mai populare protocoale pentruorganoid renalformarea sunt rezumate în Figura 2 de mai jos [12–14,17–19].

Figura 2. Rezumatul celor mai populare protocoale de formare a organoidelor

2.3. Cum se strâng: Organoizii renali vs. Rinichii umani

Protocoalele descrise mai sus implică în primul rând auto-asamblarea hiPSC-urilor în organoizi. Ei imită condițiile fetale pentru a determina hiPSC-urile să se diferențieze în linii specifice rinichilor și să formeze structuri specifice rinichilor. Prima condiție fetală pe care o replic este semnalizarea primitivă a striurilor. Dâra primitivă este o secțiune a embrionului care se dezvoltă înainte ca cele trei straturi germinale să se separe. Majoritatea protocoalelor fac acest lucru utilizând agonistul de semnalizare WNT CHIR. În continuare, pentru derivarea liniei NP, mezodermul posterior-intermediar (PIM) trebuie indus, iar pentru descendența UB, mezodermul anterior-intermediar (AIM) trebuie indus [17]. Interesant, Takasato et al. (2015) au constatat că cu cât perioada de administrare a CHIR este mai lungă, cu atât mezodermul mai asemănător posterior s-a dezvoltat, în timp ce cu cât perioada este mai scurtă, cu atât mezodermul mai asemănător anterior s-a dezvoltat [20]. Astfel, creșterea duratei de semnalizare WNT duce la o generare mai mare de structuri glomerulare și proximale, iar durata de semnalizare WNT scăzută duce la generarea mai multor structurii distale.

La finalizarea protocolului NP, se dezvoltă organoizi atât cu regiuni glomerulare, cât și cu regiuni tubulare. Cu toate acestea, sunt imaturi. Studiile au arătat că organoizii renali derivati ​​din hiPSC imită fătul din primul trimestru [20]. Una dintre cele mai ample analize pe această temă a fost realizată de Subramanian și colab. (2019), care a folosit ARN-seq pentru a compara organoizii renali cu rinichii umani 8-săptămâni, 17-săptămâni și adulți. Ei au ajuns la concluzia că organoizii renali sunt mai asemănători cu rinichii umani în săptămânile 8 și 17 la făt decât la rinichii adulți [21]. În plus, organoizii renali prezintă colorarea markerilor multipotenți primitivi, cum ar fi SIX2+, în tot rinichiul, în timp ce rinichiul uman diferențiat pentru adulți nu exprimă astfel de markeri [22]. Prin urmare, pentru a utiliza organoidul renal ca un proxy pentru rinichiul uman adult pentru a studia boala, acesta trebuie să avanseze în vârstă gestațională.

Organoizii rinichilor nu numai că pot imita mai îndeaproape metanefrosul timpuriu decât rinichiul uman adult adecvat, dar pot să semene chiar mai mult cu mezonefros decât cu metanefros dacă concentrația de morfogene este reglată incorect [23]. Abordând aceste preocupări, Tsujimoto et al. (2020) au investigat diferențierea hiPSC in vitro în NP mezonefrice, NP metanefrice și celule UB [24]. Acest studiu a identificat mai mulți factori care diferențiază aceste trei linii și, prin urmare, pot fi aplicați studiului viitor al acestor trei sisteme distincte [24]. Alte progrese cheie în maturarea organoide includ interacțiunile NP-UB și vascularizarea. Unele dintre cele mai notabile studii pentru abordarea acestor probleme au fost efectuate de Taguchi și Nishinakamura (2017) și Tsujimoto et al. (2020) [17,24]. Aceste studii au generat organoizi co-cultivați MM-UB și i-au transplantat în șoareci, unde au fost vascularizați. Generarea acestor structuri metanefrice de ordin superior a avansat în mod semnificativ asemănarea structurii renale derivate din celule stem cu rinichii umani reali. Cu toate acestea, nici măcar aceste sisteme avansate nu au fost capabile să recapituleze ramificarea UB mai extinsă care are loc pe parcursul celui de-al doilea și ultimul trimestru in vivo [24]. Aceste descoperiri subliniază necesitatea de a reproduce funcțiile rinichilor maturi endogene și interacțiunile care le lipsesc organoidele actuale, cum ar fi fluxul de fluid.

3. Organoizii renali ca sisteme model

Asemănarea organoidelor renale cu rinichii umani îi face potriviti pentru modelarea bolilor și screeningul medicamentelor. Acestea pot fi făcute în mai puțin de o lună, personalizate pentru o persoană și produse în vrac [12–14,17–19]. În plus, ele pot fi cultivate in vitro sau transplantate în ouă de șoareci, șobolani sau pui pentru a forma modele complete in vivo. Mai jos, vom explora analizele care pot fi efectuate cu organoizi renali, precum și utilizările actuale și viitoare ale organoidelor renale în cercetarea biomedicală.

3.1. Analiza organoide renale

3.1.1. Teste in vitro

Pe organoizi renali pot fi efectuate diverse teste fiziologice, moleculare și funcționale. În ceea ce privește testele moleculare, diferite analize transcriptomice au fost efectuate cu succes în organoizi renali [25]. De exemplu, Takasato et al. (2015) au extras ARN din organoizi și au efectuat secvențierea ARN și analize qRTPCR [20].

Alții, cum ar fi Wu și colab. (2018) au efectuat izolarea nucleelor ​​și secvențierea snRNA, pe lângă secvențierea DropSeg scRNA în organoizi renali. În plus față de nivelurile de ARN, au fost cuantificate și comparate diferite niveluri de proteine ​​din lizat organoid renal prin imunblot (de exemplu, Cruz și colab., 2017; Morais și colab., 2022) [26,27]. În plus, analiza imunocitochimică a fost efectuată în mod obișnuit în organoizi renali pentru a examina structurile specifice de nefron. Aceasta este adesea efectuată ca colorare organoid integrală; alternativ, secțiunile de țesut au fost, de asemenea, utilizate pentru sondare (de exemplu, Takasato și colab., 2015; Cruz și colab., 2017) (20, 26). Aceste studii au arătat că organoizii renali prezintă glomeruli, tubul proximal, tubul distal, membrana bazală și aranjamentul conductelor colectoare (20, 27). Figura 3 de mai jos prezintă un exemplu de organoizi renali umani încorporați în parafină și secționați, generați folosind protocolul Takasato și colab. (2016) (12) Secțiunea este colorată pentru glomerular, tubul proximal și distal. proteinele marker tubulare și prezintă structuri nefronice continue de la glomerular până la tubul distal.Pe lângă structuri, organoizii renali sunt cunoscuți că prezintă și vascularizație.Cu toate acestea, este limitat, regresează rapid și nu este organizat ca într-un rinichi tipic (28).

Testele funcționale multiple pot fi, de asemenea, efectuate în organoizi renali. De exemplu, așa cum este descris de Freedman și colab. (2022), organoizii renali pot fi supuși unor teste de urmărire a pulsului, în care diferite molecule fluorescente pot fi adăugate la medii înainte de a fi înlocuite cu noi medii lipsite de fluorescent [29]. Organoizii pot fi apoi analizați pentru absorbția acestor molecule, iar informațiile rezultate pot fi utilizate pentru a deduce informații despre acumulare, umflare, filtrare, endocrinitate sau leziuni [29]. Cu toate acestea, una dintre problemele cu acest test în platformele organoide este că moleculele pot fi introduse extern în structurile tubulare închise în loc de prin suprafața apicală, așa cum s-ar întâmpla in vivo. Prin urmare, moleculele fluorescente pot fi absorbite din membrana bazolaterală exterioară, deoarece nu există nicio modalitate de a controla unde pot ajunge aceste molecule atunci când sunt introduse grosier în mediu. În plus, transportul moleculelor poate fi limitat prin difuzie în cadrul organoizilor, creând tendințe diferite de acumulare în cadrul aceluiași organoid.

În plus, repararea rinichilor poate fi, de asemenea, evaluată în platforme organoide, permițând astfel perspective asupra mecanismelor de inversare a leziunilor renale și a bazei genetice care pot predispune pacienții la boli de rinichi. De exemplu, studii precum Gupta et al. (2022) au investigat căile genetice care au fost reglate în prezența unor expuneri unice sau multiple la cisplatină, o moleculă de leziune renală, în platformele organoide renale [30]. În cele din urmă, formarea chistului poate fi analizată în organoizi în scopul studierii bolii polichistice renale (PKD) prin activarea cAMP [26]. Chisturile pot fi apoi măsurate, cuantificate și tratate ca proxy pentru chisturile renale umane.

3.1.2. Analiza in vivo

Un dezavantaj semnificativ al utilizării organoidelor renale in vitro ca sistem model este lipsa lor de interacțiune cu restul organismului. O multitudine de afecțiuni care afectează secțiuni îndepărtate ale corpului pot afecta rinichii și invers. De exemplu, modificările tensiunii arteriale pot modifica drastic presiunea glomerulară, pe care rinichiul o poate, la rândul său, să o regleze. Cu toate acestea, sistemele organoide in vitro nu țin cont de aceste interacțiuni sistemice. Astfel, au fost explorate abordări de transplant care implică organoizi renali de origine umană la șoareci, șobolani și ouă de pui. În astfel de studii, țesuturile umane și animale sunt distinse prin imunocolorarea antigenului nuclear uman sau alinierea citirii cromozomului Y la referința genomului combinat [21]. În plus, organoizii pot fi transplantați printr-o schelă (de exemplu, mătase) pentru a oferi un nivel mai ridicat de integritate structurală [31]. Această abordare poate permite analize mai ușoare specifice țesutului organoid post-transplant.

Un avantaj cheie al transplantului de organoizi renali este că permite organoizilor să vascularizeze, să se maturizeze și chiar să filtreze urina. Van den Berg și colab. (2018) au arătat că, după transplantul renal subcapsular la șoareci, glomerulii și tubulii organoizi renali se maturizează semnificativ [32]. Într-un alt studiu, Subramanian și colab. (2019) au arătat că transplantul de organoizi derivati ​​din hiPSC la șoareci duce la creșterea maturizării tubului proximal și distal și la o prezență scăzută a populațiilor de celule nețintă în organoid [21]. Mai important, după transplant, organoizii renali pot îndeplini funcția finală a rinichiului, filtrarea sângelui. După transplantul subcutanat la șoareci, organoizii renali au format structuri de filtrare a urinei, așa cum demonstrează transferul dextran marcat cu FITC [33]. Astfel, transplantul nu numai că permite studierea efectelor unei mutații într-un organoid renal in vivo, dar îmbunătățește și asemănarea organoidului cu rinichiul uman și îl face un sistem oarecum funcțional.

În timp ce șoarecii imunodeficienți sunt adesea utilizați pentru transplantul organoid de rinichi hiPSC, au fost, de asemenea, utilizate și alte gazde, cum ar fi membranele corioalantoice de pui (CAM). Un CAM este imunodeficient în mod natural și este propice pentru vascularizarea organoidului [16]. Cu toate acestea, îi lipsesc sistemele de organe tipice ale mamiferelor, ceea ce face ca organoizii renali să fie deconectați de la alte sisteme, spre deosebire de șoareci. În ciuda obstacolelor legate de gazdă, generarea de himere cu organoizi renali derivați de la om permite un studiu extins in vivo al bolii renale umane într-o platformă de mare impact.

3.2. Studii de modelare a bolii efectuate până acum

3.2.1. Organoizii renali ca modele de boli genetice

Organoizii renali au fost folosiți pentru a studia bolile renale genetice tubulare și glomerulare [26,34,35]. La om, cele mai proeminente boli tubulare includ boala renală polichistică pediatrică (PKD), care rezultă din mutații autosomale recesive ale genei fibrochistice (PKHD1) și PKD la adulți, care rezultă din mutații autosomal dominante ale policistinei-1 și -2 gene [36–38]. Aceste mutații pot fi introduse artificial în hiPSC-uri prin tehnologii de editare a genelor, cum ar fi sistemul CRISPR-Cas 9. HiPSC-urile editate pot fi ulterior crescute în organoizi renali umani care modelează PKD și analizate prin colorarea proteinelor și profilarea ARN. De exemplu, Freedman et al. (2015) și Cruz și colab. (2017) au eliminat genele policistinei din liniile hiPSC folosind sistemul CRISPR/Cas9 și ulterior au derivat organoizi care imită fenotipul chistic găsit in vivo la pacienții bolnavi [14,26]. Aceste studii arată că organoizii renali pot fi utilizați ca platforme ușor de observat, relevante pentru boală pentru a studia PKD. În plus, organoizii fabricați din linii celulare derivate de la pacient permit o perspectivă asupra mutațiilor specifice pacientului și probabilitatea dezvoltării bolii. De exemplu, Low et al. (2019) au dezvoltat organoizi renali derivați de la pacienți cu mutații PKHD1 și i-au comparat cu organoizi de tip sălbatic [39]. Organoizii bolnavi au prezentat o formare semnificativ mai mare de chisturi, demonstrând astfel potențialul organoizilor renali de a prezice manifestarea bolii din genotip [39]. Într-un alt studiu, Hernandez et al. (2021) au derivat hiPSC de la pacienți cu mutații în gena complexului sclerozei tuberoase-2, ceea ce face pacientul predispus la dezvoltarea tumorii renale [40]. Apoi au corectat mutația pacientului cu sistemul CRISPR/Cas9. Organoizii de rinichi din aceste linii mutante izogenice corectate au prezentat o formare redusă de chisturi și căi de gene restaurate în comparație cu organoizii bolnavi, demonstrând astfel utilitatea organoizilor de rinichi în studiul efectelor funcționale din aval ale mutațiilor specifice în sistemele asemănătoare organelor izogenice.

Cercetătorii au folosit, de asemenea, organoizi derivați de la pacient pentru a obține o perspectivă asupra bolilor genetice care afectează glomerulul. De exemplu, Hale et al. (2018) s-au concentrat pe gena NPHS1 (nefrină), care, dacă este mutată, induce formarea defectuoasă a procesului podocitar al piciorului și filtrarea urinei permeabile, ducând la boli de rinichi [34]. Hale şi colab. (2018) au folosit hiPSC-uri NPHS1 mutante derivate de la pacient pentru a obține organoizi renali care au modelat aceste procese defectuoase ale piciorului podocitelor, inclusiv niveluri scăzute de proteine ​​specifice podocitelor, nefrină și podocină [34]. De asemenea, Freedman et al. (2015) au eliminat gena glomerulară PODXL în hiPSC și au descoperit că organoizii prezintă o arhitectură podocite-podocite defectuoasă [14].

Un potențial neexploatat al organoizilor renali este capacitatea lor de a modela defecte embrionare și fetale. În prezent, cercetătorii se străduiesc să modeleze rinichiul uman adult cu organoidul renal. Cu toate acestea, în starea sa actuală din primul și al doilea trimestru, organoidul renal poate fi utilizat pentru a studia defectele renale de dezvoltare [41]. Defectele de dezvoltare ale sistemului urinar, cum ar fi displazia renală, sunt printre unele dintre cele mai răspândite și severe tulburări de dezvoltare [42]. Deoarece multe dintre aceste boli pot fi detectate încă de la 11 săptămâni, organoizii renali se pretează deosebit de bine studierii dizabilităților renale congenitale. Nu avem doar organoide renale metanefrice asemănătoare primului și celui de-al doilea trimestru la dispoziție, dar avem și linii celulare de rinichi mezonefrice primitive (de exemplu, Tsujimoto și colab., 2020) pentru a studia defectele embrionare și fetale [24]. Deoarece puține sisteme permit studiul și manipularea unui rinichi uman în curs de dezvoltare, organoidul renal oferă un potențial extraordinar pentru studii genetice, toxicologice și de dezvoltare fetale.

3.2.2. Organoizii renali ca modele pentru alte boli

Pe lângă bolile genetice, organoizii renali au fost folosiți pentru a studia răspunsul sistemelor umane la infecții virale, cancer și răni. De exemplu, Jansen et al. (2021) au folosit o platformă organoide renale pentru a evalua efectele SARS-CoV virale-2 asupra rinichilor umani [43]. Acest grup a descoperit că infecția cu SARS-CoV-2 duce la creșterea expresiei colagenului-I în organoizii renali umani, oferind astfel o explicație mecanică a leziunii renale și a fibrozei care însoțește adesea cazurile severe de COVID-19 [ 43]. În ceea ce privește cercetarea cancerului, Hernandez și colab. (2021) au transplantat organoizi renali la șobolani imunodeficienți pentru a modela tumori rare de rinichi influențate genetic. Aici, organoizii derivați de la pacient au dezvoltat leziuni asemănătoare tumorilor, recapitulând astfel tumorile renale umane [40]. În plus, au folosit modele de tumori bazate pe organoide renale ca structuri semi-funcționale derivate din om și au testat medicamente și terapii pe bază de nanoparticule. În cele din urmă, studii recente au arătat că organoizii renali pot fi utilizați pentru a testa răspunsul la leziuni renale. De exemplu, Prezpiorski et al. (2022) au demonstrat că organoizii renali produc markeri ai daunelor oxidative și expresia crescută a markerilor de leziune prin administrarea moleculei de leziune hemină la organoizii renali, împreună cu un biosenzor [44].

3.2.3. Organoizii renali în evaluarea medicamentelor

Pe lângă faptul că oferă o perspectivă asupra bolilor, organoizii renali au fost folosiți pentru screeningul medicamentelor. În special, organoizii renali au fost folosiți pentru a studia leziunea renală indusă de medicamente (DIKI), care este o cauză principală a leziunii renale acute [45]. În evaluarea efectelor secundare ale cisplatinei, Czerniecki și colab. (2018) au arătat că organoizii renali sunt utile ca modele de mare capacitate pentru a verifica noi produse farmaceutice într-o gamă diversă de genetică umană [46].

Alții, cum ar fi Wu și colab. (2018) au efectuat izolarea nucleelor ​​și secvențierea snRNA, pe lângă secvențierea DropSeg scRNA în organoizi renali. În plus față de nivelurile de ARN, au fost cuantificate și comparate diferite niveluri de proteine ​​din lizat organoid renal prin imunblot (de exemplu, Cruz și colab., 2017; Morais și colab., 2022) [26,27]. În plus, analiza imunocitochimică a fost efectuată în mod obișnuit în organoizi renali pentru a examina structurile specifice de nefron. Aceasta este adesea efectuată ca colorare organoid integrală; alternativ, secțiunile de țesut au fost, de asemenea, utilizate pentru sondare (de exemplu, Takasato și colab., 2015; Cruz și colab., 2017) (20, 26). Aceste studii au arătat că organoizii renali prezintă glomeruli, tubul proximal, tubul distal, membrana bazală și aranjamentul conductelor colectoare (20, 27). Figura 3 de mai jos prezintă un exemplu de organoizi renali umani încorporați în parafină și secționați, generați folosind protocolul Takasato și colab. (2016) (12) Secțiunea este colorată pentru glomerular, tubul proximal și distal. tubular marker proteine ​​și prezintă structuri nefronice continue de la glomerular până la tubul distal.Pe lângă structuri, organoizii renali sunt cunoscuți că prezintă și vascularizație.Cu toate acestea, este limitat, regresează rapid și nu este organizat ca într-un rinichi tipic (28).

Figura 4. Rezumatul modurilor în care organoizii renali pot fi utilizați pentru a modela boala. Rezumatul modurilor în care organoizii renali pot fi utilizați pentru a modela di