เวชศาสตร์ฟื้นฟูที่ใช้เทคโนโลยี IPSC สำหรับโรคไต
Feb 23, 2022
เชิงนามธรรมด้วยการรักษาเพียงเล็กน้อยสำหรับโรคไตยาฟื้นฟูได้ให้ความสนใจเพิ่มขึ้นในฐานะทางเลือกใหม่ในการรักษา ความคืบหน้าล่าสุดในไตการสร้างใหม่โดยใช้เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (hiPSC) ที่มนุษย์สร้างขึ้นเป็นสิ่งที่น่าสังเกต ขึ้นอยู่กับความรู้ของไตการพัฒนา การกำหนดความแตกต่างของ hiPSCs ออกเป็นสองตัวอ่อนไตต้นกำเนิด, เซลล์ต้นกำเนิด nephron (NPCs) และ ureteric bud (UB) ได้รับการจัดตั้งขึ้นทำให้สามารถสร้าง nephron และรวบรวมอวัยวะในท่อได้ นอกจากนี้ มนุษย์ไตเนื้อเยื่อสามารถสร้างขึ้นจากต้นกำเนิดที่ได้มาจาก hiPSC ซึ่งในโกลเมอรูไลที่ได้มาจาก NPC และไตท่อและท่อรวบรวมที่ได้มาจาก UB เชื่อมต่อกัน สิ่งจูงใจไตเนื้อเยื่อจะถูกสร้างหลอดเลือดเพิ่มเติมเมื่อปลูกถ่ายในหนูที่มีภูมิคุ้มกันบกพร่อง นอกจากไตการสร้างขึ้นใหม่เพื่อใช้ในการปลูกถ่าย แสดงให้เห็นว่าการบำบัดด้วยเซลล์โดยใช้ NPC ที่ได้รับ hiPSC ช่วยบรรเทาอาการเฉียบพลันอาการบาดเจ็บที่ไต(AKI) ในหนู การวิจัยแบบจำลองโรคและการค้นพบยาโดยใช้ hiPSC เฉพาะโรคได้ดำเนินการอย่างจริงจังเพื่อให้รักษายากไตความผิดปกติเช่น autosomal dominant polycysticโรคไต(เอดีพีเคดี). ในความพยายามที่จะจัดการกับภาวะแทรกซ้อนที่เกี่ยวข้องกับโรคไตประสบความสำเร็จในการสร้างเซลล์ที่ผลิตฮอร์โมนอีริโทรพอยอิติน (EPO) ที่ได้จาก hiPSC เพื่อค้นหายาและพัฒนาเซลล์บำบัดสำหรับไตโรคโลหิตจาง การทบทวนนี้สรุปสถานะปัจจุบันและมุมมองในอนาคตของชีววิทยาพัฒนาการของไตและเวชศาสตร์ฟื้นฟูที่ใช้เทคโนโลยี iPSC สำหรับโรคไต
คำสำคัญ:ไอพีเอสซี; การฟื้นฟูไต; เซลล์ต้นกำเนิด Nephron; ไตไต; การบำบัดด้วยเซลล์ แบบจำลองโรค ไต ไต.
บทนำ โรคไตก่อให้เกิดปัญหาทางการแพทย์มหาศาลและภาระทางเศรษฐกิจทั่วโลก แต่มีการรักษาเพียงเล็กน้อย ยกเว้นไตการปลูกถ่ายซึ่งขัดขวางการขาดแคลนอวัยวะผู้บริจาคอย่างรุนแรง [1] ทางออกหนึ่งคือการพัฒนากลยุทธ์ด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟูโดยใช้เซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนต์ของมนุษย์ (hPSC) เช่น สเต็มเซลล์จากตัวอ่อน (hESC) และเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนต์ที่เหนี่ยวนำ (hiPSC) [2] เนื่องจากศักยภาพในการขยายพันธุ์อย่างไม่สิ้นสุดและแยกออกเป็นเซลล์ชนิดใดก็ได้ในร่างกาย ได้แก่ไตเซลล์ hPSCs คาดว่าจะทำหน้าที่เป็นแหล่งเซลล์สำหรับเวชศาสตร์ฟื้นฟูเช่นไตการสร้างใหม่และการบำบัดด้วยเซลล์ นอกจากนี้ hPSC เฉพาะโรคที่มีความโน้มเอียงทางพันธุกรรมที่จะทำให้เกิดโรคเฉพาะสามารถนำมาใช้เพื่อพัฒนาแบบจำลองสำหรับการวิเคราะห์ทางพยาธิวิทยาและการค้นพบยา ซึ่งชนิดเซลล์ที่ได้รับบาดเจ็บแตกต่างจาก hPSCs จะทำซ้ำฟีโนไทป์ของโรคในหลอดทดลอง [2] ในบทความนี้ ผมสรุปความก้าวหน้าล่าสุดในไตการวิจัยการฟื้นฟูโดยอาศัยชีววิทยาพัฒนาการและอธิบายมุมมองในอนาคตของเวชศาสตร์ฟื้นฟูและแบบจำลองโรคสำหรับโรคไต.
พัฒนาการของไตt ไตได้มาจากชั้นสืบพันธุ์ของตัวอ่อนระยะแรก ซึ่งก็คือมีโซเดิร์มระดับกลาง (IM) [3] (รูปที่ 1a) ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง IM ก่อให้เกิดเป็นสามอย่างต่อเนื่องไตpronephros, mesonephros และ metanephros (รูปที่ 1b) Mesonephros เป็นผู้ใหญ่ไตของ fsh และสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำในขณะที่ metanephros เป็นผู้ใหญ่ไตของสัตว์เลื้อยคลาน นก และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ในขณะที่สามคนนี้ไตมีความคล้ายคลึงกันโดยประกอบด้วย nephrons ซึ่งเป็นหน่วยหน้าที่ของไตจำนวนของ nephrons ต่างกัน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมผู้ใหญ่ไตเมตาเนฟรอส
รูปที่ 1 การกำหนดความแตกต่างของไตเซลล์เชื้อสาย ac Schematic drawing แสดง mesoderm specifcation (a) การก่อตัวของสามไต(b) และการพัฒนา metanephros (c) IM: mesoderm ระดับกลาง; MM: mesenchyme metanephric; UB: ตาไต d การสร้างภูมิคุ้มกันของเซลล์ต้นกำเนิด nephron ที่ได้รับ hiPSC (NPCs) สำหรับ OSR1, SIX2 และ HOXD11 e การสร้างภูมิคุ้มกันของ nephron organoid ที่เกิดขึ้นจาก NPC ที่ได้รับ hiPSC หลังจาก 10 วันของการเพาะเลี้ยงผิวหน้าระหว่างอากาศและของเหลว PODXL: Podocalyxin (เครื่องหมาย podocyte สีขาว); LTL: โลตัส tetragonolobus lectin (เครื่องหมายหลอดใกล้เคียง; สีแดง); CDH1: CADHERIN 1 (เครื่องหมายปลายท่อ สีเขียว) f, g การสร้างภูมิคุ้มกันของเซลล์ IM ข้างหน้าสำหรับ OSR1 (สีเขียว) และ GATA3 (สีแดง; f) และการรวมตัวของเซลล์ท่อไตสำหรับ E-CADHERIN (สีเขียว), GATA3 (สีแดง) และนิวเคลียส (สีน้ำเงิน; g) h การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาระหว่างการสร้างอวัยวะ iUB ที่แตกแขนงขึ้นใหม่เป็นเวลา 7 วัน ภูมิคุ้มกันของออร์แกนอยด์ iUB สำหรับ RET (สีเขียว), CK8 (สีแดง) และ PAX2 (สีน้ำเงิน) j การย้อมสีน้ำเงินของโทลูอิดีนของออร์แกนอยด์ iUB ซึ่งแสดงลูเมนแบบท่อ k Bright-feld (ซ้าย) และรูปภาพที่สร้างภูมิคุ้มกัน (กลางและขวา) ของการรวบรวมโครงสร้างท่อคล้ายท่อที่ได้มาจากออร์กานอยด์ iUB สำหรับ FOXA1 (สีขาว), AQP2 (สีแดง) และ GATA3 (สีเขียว) แท่งมาตราส่วน 100 μm. (d) และ (e) ดัดแปลงมาจาก Tsujimoto et al [12], (f) และ (g)–(k) ดัดแปลงมาจาก Mae et al. [14, 15] ตามลำดับเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาซึ่งกันและกันระหว่างเนื้อเยื่อของตัวอ่อนที่ได้รับ IM สองชิ้น, เมตาเนฟริกมีเซนไคม์ (MM) และตาของท่อไต (UB; รูปที่ 1c) MM ก่อให้เกิด nephrons และ interstitium ของผู้ใหญ่ไตในขณะที่ UB แยกย่อยระบบทางเดินปัสสาวะส่วนล่างออกจากท่อรวบรวมไปยังส่วนหนึ่งของกระเพาะปัสสาวะ [3] ด้วยการสร้างการทดสอบโคลนแบบใหม่ เราแสดงให้เห็นว่า MM มีเซลล์ต้นกำเนิดหลายเซลล์ที่สามารถแยกออกเป็นเซลล์เยื่อบุผิวหลายชนิดที่ประกอบเป็น nephrons เช่น glomerular podocytes และไตเยื่อบุผิวท่อ [4]. ต่อมา การทดลองติดตามเชื้อสายเปิดเผยว่าบรรพบุรุษเหล่านี้ถูกทำเครื่องหมายด้วยปัจจัยการถอดรหัส Six2 [5] ต้นกำเนิดเหล่านี้เรียกว่า nephron progenitor cells (NPCs) ทากุจิและคณะ แสดงให้เห็นว่า IM ถูกแบ่งออกเป็นโดเมนด้านหน้าและด้านหลัง ซึ่งก่อให้เกิด UB และ MM ตามลำดับ [6] ขึ้นอยู่กับ fndings เหล่านี้ของไตพัฒนา เพียรพยายามสร้างใหม่ไตเซลล์เชื้อสายจาก hPSCs
ชี้นำความแตกต่างของ hPSCs ไปสู่สายเลือดของไต เป็นขั้นตอนแรกในการแยกแยะ hiPSCs ออกเป็น .โดยตรงไตสืบเชื้อสายโดยเลียนแบบไตการพัฒนา กลุ่มของเรามุ่งเน้นไปที่การสร้างเซลล์ IM และสร้างสาย hiPSC ของนักข่าวสำหรับยีน OSR1 ซึ่งเป็นเครื่องหมายเฉพาะสำหรับ IM [7] โดยการแก้ไขยีน [8] การใช้ระบบประเมินผลเชิงปริมาณและสายรายงาน hiPSC ของผู้รายงาน เราได้พัฒนาโปรโตคอลการแยกแยะที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งจะชักนำ hiPSC เข้าสู่ OSR1-ซึ่งแสดงออกถึงเซลล์ IM เซลล์ IM ที่เหนี่ยวนำเหล่านี้แสดงศักยภาพในการพัฒนาเพื่อแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ไตของผู้ใหญ่ เช่น glomerular podocytes และไตเซลล์ท่อ ในหลอดทดลอง และเพื่อสร้างโครงสร้างท่อสามมิติ (3D) โดยการเพาะเลี้ยงด้วยเซลล์เมตาเนฟริกของหนูเมาส์ [8, 9]
ทากุจิและคณะ ในช่วงแรกได้พัฒนาวิธีการสร้างความแตกต่างแบบเลือกสรรเพื่อกระตุ้น NPC ผ่าน IM หลังจากทั้ง ESC ของเมาส์ (mESCs) และ hiPSC และยังสร้างสารอินทรีย์ nephron ที่มี glomeruli และไตtubules ในหลอดทดลอง จาก NPC ที่ถูกเหนี่ยวนำ [6] ทากาซาโตะ และคณะ รายงานรุ่นของไตสารอินทรีย์ที่มีหลายตัวไตชนิดเซลล์ เช่น โกลเมอรูไลไตท่อ รวบรวมท่อ เซลล์สโตรมอล และเซลล์หลอดเลือด [10] โดยการพัฒนาระบบวัฒนธรรม 2 มิติ Morizane et al. สร้าง NPC อย่างมีประสิทธิภาพจาก hiPSCs และ nephron organoids จาก NPCs [11] ไม่นานมานี้ กลุ่มของเราได้พัฒนาวิธีการแยกแยะแบบเป็นขั้นตอนเพื่อชักนำ hiPSCs เข้าสู่ NPC อย่างมีประสิทธิภาพด้วยศักยภาพในการแยกแยะเพื่อสร้างสารอินทรีย์จากไต [12] (รูปที่ 1d, e) วิธีการแยกแยะของเราซึ่งประกอบด้วย 6 ขั้นตอนที่สรุปกระบวนการพัฒนาตามธรรมชาติของ NPC ได้ใกล้เคียงกว่าวิธีที่รายงานโดย Takasato et al และ Morizane et al. [10, 11] และสร้าง NPC ในรูปแบบ 2D ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการของ Taguchi et al ซึ่งใช้วัฒนธรรม 3 มิติ [6]
เกี่ยวกับความแตกต่างโดยตรงของเชื้อสาย UB Taguchi และ Nishinakamura ได้แยก mESCs และ hiPSCs ผ่าน IM ล่วงหน้าและท่อไต (ND) ลงในโครงสร้าง UBlike [13] อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการเหนี่ยวนำของเยื่อบุผิว ND ต่ำ และการทำให้บริสุทธิ์ของเซลล์ ND โดย fow cytometry เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ในภายหลัง เราได้พัฒนาวิธีการแยกแยะ 2D ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งสร้างเยื่อบุผิว ND จาก hiPSC ผ่าน IM ล่วงหน้า และรวมถึงขั้นตอนการแยกแยะที่ตามมาโดยไม่ทำให้บริสุทธิ์ [14] (รูปที่ 1f, g) เซลล์ ND ที่ถูกเหนี่ยวนำสร้างโครงสร้างคล้าย UB โดยมีส่วนปลาย RET (บวก) และโดเมนลำต้น CK8(บวก) ในการเพาะเลี้ยง 3 มิติ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างคล้าย UB ที่สร้างขึ้นโดยทั้งสองกลุ่มมีศักยภาพในการแตกแขนงจำกัด ไม่นานมานี้ โดยการปรับเปลี่ยนวิธีการสร้างความแตกต่างของ UB เราสร้างออร์กานอยด์เหนี่ยวนำ UB (iUB) ได้สำเร็จซึ่งมีขั้วของเยื่อบุผิว ลูเมนของท่อ และการสร้างรูปร่างที่แตกแขนงซ้ำๆ [15] (รูปที่ 1h–j) ยิ่งไปกว่านั้น เราประสบความสำเร็จในการชักนำออร์กานอยด์ของ iUB เหล่านี้เพื่อแยกความแตกต่างในการรวบรวมออร์กานอยด์ในท่อที่สอดคล้องกับอวัยวะภายในร่างกายในตัวอ่อนมนุษย์ในสัปดาห์ที่ 7 ของการตั้งครรภ์ (รูปที่ 1k)
การขยายตัวของต้นกำเนิดไตเพื่อจัดหาจำนวนมากของไตเซลล์สำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐานและทางคลินิก วิธีการเพาะเลี้ยงในหลอดทดลองสำหรับตัวอ่อนไตบรรพบุรุษได้รับการตรวจสอบแล้ว บราวน์และคณะ และทานิกาวะและคณะ รายงานการขยาย NPC ในหลอดทดลอง ออกจากตัวอ่อนของเมาส์ [16, 17] หลี่และคณะ NPC ที่ขยายและบำรุงรักษาที่ได้มาจากทั้งตัวอ่อนของหนูและตัวอ่อนมนุษย์ในหลอดทดลองเป็นเวลานานโดยใช้การเพาะเลี้ยงเซลล์ 3 มิติเป็นเวลา 17 และ 7 เดือนตามลำดับ [18] กลุ่มยังได้ขยาย NPC ที่แตกต่างจาก hiPSC ในหลอดทดลอง เป็นเวลา 2 เดือนโดยใช้วิธีการเดียวกัน แม้ว่าทั้งสามวิธีนี้จะใช้โปรตีน morphogenetic ของกระดูก (BMP) 7 แต่บทบาทของ BMP7 ในการขยาย NPC ยังไม่ทราบ โดยการคัดกรองสารประกอบทางเคมี เราระบุตัวยับยั้ง JAK3, TCS21311 แทน BMP7 ในวัฒนธรรมการขยายที่พัฒนาโดย Li et al [18] และเปิดเผยบทบาทการยับยั้งแบบใหม่ของ BMP7 ใน JAK3-การส่งสัญญาณ STAT3 สำหรับการขยาย NPC [19] นอกจากนี้ การเพิ่ม TCS21311 ในการเพาะเลี้ยงขยายได้ช่วยปรับปรุงอัตราการงอกของ NPC ทั้งจากตัวอ่อนของหนูและ hiPSC เมื่อเร็วๆ นี้ เราได้พัฒนาวัฒนธรรมการขยายสำหรับเซลล์ UB ที่ได้มาจาก hiPSC ซึ่งแยกเซลล์เดี่ยวออกจากออร์กานอยด์ของ iUB ขยายพันธุ์เพื่อสร้างโคโลนีที่แสดงเครื่องหมายปลาย UB [15] โคโลนีของทิปเหล่านี้สามารถสร้างออร์กานอยด์ของ iUB ใหม่ที่มีศักยภาพในการแตกแขนงซ้ำ และกระบวนการสร้างใหม่นี้สามารถทำซ้ำได้อย่างน้อยสามครั้ง
รูปที่ 2 การฟื้นฟูไตโครงสร้าง แผนผังแสดงการสร้างโครงสร้างโปรเนฟรอสจากหมวกสัตว์ของเอ็มบริโอ Xenopus b–d ภาพทั้งภูเขา (b) และภาพการสร้างภูมิคุ้มกันสองครั้ง (c, d) ของตัวขยาย Xenopus ที่เทียบเท่าระยะ 42 (b, c) และตัวอ่อนระยะ 40 (d) โดยใช้แอนติบอดี pronephric tubule-specifc (3G8, สีแดง) และแอนติบอดีจำเพาะต่อท่อไต (4A6, สีน้ำเงิน) e แผนผังแสดงการฟื้นฟูในหลอดทดลองของไตโครงสร้างจาก hiPSCs f ภูมิคุ้มกันสามเท่าของวันที่ 20ไตออร์แกนอยด์สำหรับเครื่องหมายของโพโดไซต์ (PODXL), โพรซิมอลทูบูล (LTL) และท่อส่วนปลายและท่อรวบรวม (CDH1; ซ้าย) และสำหรับ PODXL และเครื่องหมายของท่อส่วนปลายและท่อรวบรวม (AVPR2) และท่อดักจับเท่านั้น (CALB1; ขวา) . โปรดทราบว่ายังพบสัญญาณ CDH1 ที่อ่อนแอในส่วนของ LTL บวกกับท่อใกล้เคียงในแผงด้านซ้าย g แผนผังแสดงการฟื้นฟูร่างกายของไตโครงสร้างจาก hiPSCs h ภาพขยายด้านล่างแสดงทั้งโฮสต์ไตและได้มาจาก hiPSCไตการรับสินบน (สีเขียว) หลังจากการบริหารเดกซ์ทราน rhodamine B-conjugated ผ่านหลอดเลือดดำส่วนหางของเมาส์เจ้าบ้าน ภาพขนาดเล็กด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายโฟตอนในช่องปากหลังการฉีดเดกซ์แทรนเดกซ์แทรนที่เชื่อมด้วยโรดามีนบีที่หางโดยเส้นเลือดที่หางซึ่งแสดงลูเมนของหลอดเลือดของหนูที่เป็นโฮสต์เจาะเข้าไปในโครงสร้างคล้ายโกลเมอรูลัสที่ได้มาจาก hiPSC (สีเขียว) แท่งมาตราส่วน 100 µm ใน (b)–(d) และ (f) 500 µm ใน (h) และ 40 µm ใน (i) (b)–(d) และ (e)–(i) ดัดแปลงมาจาก Osafune et al [22] และ Tsujimoto et al. [12] ตามลำดับ [22]
ฟื้นฟูไต งานก่อนหน้าสำหรับการสร้างใหม่ไตโครงสร้างใช้บริเวณที่คาดคะเน ectoderm ของไข่ที่ปฏิสนธิสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกที่เรียกว่าฝาครอบสัตว์ซึ่งเป็นมวลเซลล์หลายเซลล์ (รูปที่ 2a) โมริยะและคณะ รายงานว่าการรักษาร่วมกันด้วยแอคติวิน A และกรดเรติโนอิก (RA) ชักนำให้หมวกของสัตว์แยกตัวไปเป็นหลอดโปรเนฟริกในหลอดทดลอง [20] เบรนแนนและคณะ แสดงให้เห็นว่า pronephric glomus ถูกกระตุ้นใน explants ด้วย [21] เราแสดงให้เห็นว่าสารกระตุ้นที่ถูกเหนี่ยวนำประกอบด้วยท่อโปรเนฟริกและเนื้อเยื่อโปรเนฟริกสามารถสร้างใหม่ได้จากเซลล์สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำในหลอดทดลอง [22] (รูปที่ 2b–d) แม้ว่าระบบการฟื้นฟูในหลอดทดลองสำหรับ pronephricไตไม่สามารถแปลตรงไปสู่การวิจัยทางคลินิกได้ แต่เป็นระบบที่ง่ายและมีประโยชน์สำหรับการศึกษาไตการพัฒนา.นอกจากการสร้างออร์กานอยด์ nephron จาก NPC ที่ได้รับ mESC และ hPSC และการรวบรวมออร์กานอยด์ในท่อจากเซลล์ UB ที่ได้มาจาก hPSC ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น Taguchi et al สร้างเมาส์ไตออร์แกนอยด์โดยการรวม NPC และ UB ที่ได้มาจาก mESC และต้นกำเนิดคั่นระหว่างหน้าออกจากตัวอ่อนของเมาส์ซึ่งมีโกลเมอรูไลไตท่อและท่อดูด [13] เราสร้างมนุษย์ไตออร์กานอยด์ในหลอดทดลองโดยการเพาะเลี้ยง NPC และเซลล์ UB ที่ถูกเหนี่ยวนำแยกจาก hiPSCs และในนั้นโกลเมอรูไลที่ได้มาจาก NPC และไตท่อและท่อรวบรวมที่ได้รับมาจาก UB เชื่อมต่อกัน [12] (รูปที่ 2e, f) เมื่อนำไปปลูกในไตพื้นที่ subcapsular ของหนูที่มีภูมิคุ้มกันบกพร่องซึ่งได้รับ hiPSC เหล่านี้ไตออร์แกนอยด์ที่รวมเข้ากับหลอดเลือดของหนูที่เป็นโฮสต์ (รูปที่ 2g–i)
ว่าด้วยการฟื้นฟูของไตอวัยวะที่มีทางเดินปัสสาวะ วิธีการใช้ร่างกายของสัตว์ทดลอง เช่น การเสริมบลาสโตซิสต์ระหว่างสปีชีส์ [23] และวิธีการเฉพาะอวัยวะ [24] ได้รับการตรวจสอบแล้ว โกโตและคณะ ฉีด mESCs แบบ wild-type เข้าไปในบลาสโตซิสต์ของหนู anephric Sall1(−/−) และประสบความสำเร็จในการสร้างหนูเมาส์ชนิด interspecif callyไตในหนูเจ้าบ้าน [23]. ฟูจิโมโตะ และคณะ พัฒนาวิธีการปลูกถ่ายเซลล์โดยการปลูกถ่าย NPC ที่ได้รับ hiPSC ลงในไตพื้นที่พัฒนา (เช่น ช่องออร์แกนิค) ของเอ็มบริโอของหนูในมดลูก ซึ่ง NPC ที่ปลูกถ่ายและโฮสต์ร่วมกันมีส่วนทำให้เกิดเยื่อหุ้มเซลล์แบบคิเมริก (chimeric cap mesenchyme) ซึ่งเชื่อมต่อกับหนูโฮสต์ UB [24] อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ MM ได้มาจากโกลเมอรูไลและเรนะl tubule ได้มาจาก PSCs หรือ NPCs ที่ฉีดเข้าไป ส่วนเซลล์ที่เป็นส่วนประกอบของไตที่เหลือ เช่น ท่อรวบรวมจาก UB และทางเดินปัสสาวะส่วนล่างและเซลล์หลอดเลือดมาจากสัตว์ที่เป็นโฮสต์ในสองกลยุทธ์นี้
แบบจำลองโรคเทคโนโลยี iPSC ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองโรคในหลอดทดลองได้ โดยที่ hiPSC เฉพาะโรคที่ได้มาจากเซลล์ร่างกายของผู้ป่วยหรือโดยการแก้ไขยีนเชิงสาเหตุใน hiPSCs ที่ได้จากผู้บริจาคที่มีสุขภาพดีจะแบ่งออกเป็นประเภทเซลล์ที่ได้รับบาดเจ็บเพื่อเลียนแบบฟีโนไทป์ของโรค [2 ] (รูปที่ 3a) งานก่อนหน้านี้โดย Freedman et al. สร้าง hiPSCs จากผู้ป่วยที่มี autosomal dominant polycysticโรคไต(ADPKD) ซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์ในยีน PKD1 และพบว่า hiPSCs และเซลล์ที่แยกจากกันของพวกมันมีการลดระดับของ polycystin 2 ซึ่งอธิบายกลไกใหม่ซึ่ง polycystin 1 ที่เข้ารหัสโดยยีน PKD1 ควบคุมการแสดงออกของ polycystin 2 [25] กลุ่มของเราสร้าง hiPSC จากผู้ป่วย ADPKD ซึ่งรวมถึงกลุ่มที่มีโป่งพองในกะโหลกศีรษะที่ซับซ้อน และยืนยันว่าเซลล์หลอดเลือดที่แตกต่างจาก hiPSC มีการจัดการแคลเซียมภายในเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงไปและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับเมทริกซ์นอกเซลล์ ซึ่งสอดคล้องกับเซลล์หลอดเลือดของแบบจำลองเมาส์ ADPKD และไตเซลล์ซีสต์ที่ได้จากผู้ป่วย ADPKD [26]
ความก้าวหน้าล่าสุดในการสร้าง nephron organoids จาก hiPSCs ได้เปิดใช้งานการสร้างแบบจำลองของไตความผิดปกติต่างๆ เช่น โรคไตอักเสบ [27], โรคไตที่มีมา แต่กำเนิด [28] และโรคถุงน้ำหลายใบแบบ autosomal recessiveโรคไต(ARPKD) [29].ไตแบบจำลองซีสต์ของ ADPKD ที่ใช้ nephron organoids ได้ถูกสร้างขึ้นจากยีนแก้ไข homozygous PKD1/2- hESCs กลายพันธุ์ [30] อย่างไรก็ตาม โมเดลเหล่านั้นไม่ได้สรุปไตฟีโนไทป์ของซีสต์ที่พบใน ADPKD เมื่อใช้ PKD1- mutant hiPSCs ที่กลายพันธุ์หรือมาจากผู้ป่วย ADPKD ในทางตรงกันข้าม เราเพิ่งสร้าง nephron organoids จากทั้งผู้ป่วย ADPKD ที่ได้รับและปรับแต่งยีน heterozygous และ homozygous
รูปที่ 3 การสร้างแบบจำลอง ADPKD โดยใช้ hiPSC เฉพาะโรค แผนผังแสดงการวิจัยแบบจำลองโรคสำหรับ ADPKD hiPSC เฉพาะโรคได้มาจากการตั้งโปรแกรมเซลล์โซมาติกของผู้ป่วย ADPKD ใหม่หรือการตัดต่อยีน PKD1/2 ใน hiPSC ที่ได้มาจากผู้ให้ที่มีสุขภาพดี แบบจำลองโรคถูกสร้างขึ้นโดยการแบ่งแยก hiPSC เฉพาะ ADPKD ออกเป็นไตเนื้อเยื่อเพื่อการวิเคราะห์ทางพยาธิวิทยาและการค้นพบยา b ภาพที่เป็นตัวแทนของ Bright-feld ของ PKD ดัดแปลงพันธุกรรม1-ที่ได้มาจาก hiPSC ที่กลายพันธุ์ไตออร์กานอยด์หลังการรักษาด้วยฟอร์สโคลิน 7 วัน c การหาปริมาณของพื้นที่เปาะของไตสารอินทรีย์ใน (b) ข้อมูลแสดงเป็นค่ากลาง±SE จากการทดลองอิสระสามการทดลองโดยมีการทำซ้ำสี่ครั้งในแต่ละการทดลอง **ป<0.005 and=""><0.001 by="" one-way="" anova="" and="" bonferroni's="" method.="" d="" representative="" bright-feld="" images="" of="" normal="" subject-="" and="" adpkd="" patient-derived="">ไตออร์กานอยด์หลังการรักษาด้วยฟอร์สโคลิน 7 วัน e ภาพที่สว่างเฟลด์ที่เป็นตัวแทนของผู้ป่วยที่ได้รับไตสารออร์แกนอยด์หลังการรักษาด้วย CFTR inhibitor 172 (100 μM) หรือเอเวอร์โรลิมัส (10 μM) เป็นเวลา 7 วัน ต่อหน้า forskolin แท่งมาตราส่วน 300 µm ใน (b), (d, ขวา) และ (e) และ 500 µm ใน (d, ซ้าย) ดัดแปลงมาจาก Shimizu et al. [31]
PKD1-hiPSCs กลายพันธุ์เพื่อทำซ้ำไตซีสต์พยุหเสนาโดยสำหรับการรักษาสโคลิน [31]. โปรดทราบว่าเรายืนยันว่าไตซีสต์สามารถเกิดขึ้นได้จาก hiPSC ทั้งสามประเภท (รูปที่ 3b-d) ซีสต์ของไตเหล่านี้ตอบสนองต่อยาบางชนิดที่ทราบว่ายับยั้งการสร้างซีสต์ใน ADPKD เช่น เป้าหมายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมของราพามัยซิน (mTOR) ซึ่งบ่งชี้ว่าแบบจำลองเหล่านี้สามารถใช้เพื่อคัดกรองสารประกอบของยาที่ป้องกันไตการก่อตัวของซีสต์ [31] (รูปที่ 3e) ขณะนี้ เรากำลังตั้งค่าระบบคัดกรองสารเคมีที่มีปริมาณงานสูงโดยการปรับเปลี่ยนแบบจำลองซีสต์สำหรับการค้นพบยารักษาโรคสำหรับ ADPKD
จัดการกับโรคแทรกซ้อนของโรคไต ภาวะแทรกซ้อนที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับเรื้อรังโรคไต(CKD) รวมไตโรคโลหิตจางที่เกิดจากการผลิตฮอร์โมนเม็ดเลือด erythropoietin (EPO) ที่ไม่เพียงพอโดยไต. แม้ว่าไตโรคโลหิตจางได้รับการรักษาโดยการใช้สาร EPO ของมนุษย์แบบรีคอมบิแนนท์เป็นระยะๆ จำเป็นต้องมีการบำบัดทางสรีรวิทยามากขึ้น โดยพิจารณาว่า EPO ยังผลิตโดยตับในระยะตัวอ่อนหรือในกรณีของโรคโลหิตจางรุนแรงแม้ในผู้ใหญ่ เราปรับเปลี่ยนโปรโตคอลการแตกตัวของตับที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ และประสบความสำเร็จในการสร้างเซลล์ที่ผลิต EPO จาก hiPSC (เซลล์ hiPSC-EPO) [32] ] (รูปที่ 4a) เซลล์ hiPSC-EPO เหล่านี้ควบคุมการผลิต EPO เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าที่ขาดออกซิเจน ซึ่งเลียนแบบเซลล์ในร่างกาย (รูปที่ 4b, c) โปรตีน EPO ที่มีอยู่ในส่วนลอยเหนือตะกอนของการเพาะเลี้ยงแสดงให้เห็นผลที่ส่งเสริมการสร้างความแตกต่างบนสายเลือดอีรีทรอยด์ที่อิงตามการสอบวิเคราะห์การก่อรูปอาณานิคมโดยใช้ต้นกำเนิดเม็ดเลือดของมนุษย์ (รูปที่ 4d) นอกจากนี้ เซลล์ hiPSC-EPO เหล่านี้ยังดีขึ้นไตภาวะโลหิตจางเป็นเวลา 7 เดือนหลังการปลูกถ่ายในแบบจำลองหนูเมาส์ที่เหนี่ยวนำโดยการบริหารให้อะดีนีน (รูปที่ 4e) ดังนั้นเซลล์ hiPSC-EPO จึงสามารถนำมาใช้เพื่อค้นหายาใหม่ ๆ และพัฒนาเซลล์บำบัดเพื่อป้องกันโรคโลหิตจางในไต [32]
เซลล์บำบัดการวิจัยเกี่ยวกับการบำบัดด้วยเซลล์โดยใช้ตัวอ่อนที่ได้รับ hiPSCไตบรรพบุรุษได้รับการดำเนินการ ในความพยายามที่จะตรวจสอบศักยภาพการรักษาของพวกเขากับโรคไต, เราปลูกถ่ายเหมือน NPCไตต้นกำเนิดที่สร้างจาก hiPSC ด้วยวิธีการสร้างความแตกต่างของเราลงในแคปซูลย่อยของเฉียบพลันอาการบาดเจ็บที่ไตโมเดลเมาส์ (AKI) ที่เกิดจากการบาดเจ็บของการขาดเลือดขาดเลือด/การกลับเป็นเลือด การค้นหาการปลูกถ่ายยับยั้ง ine (Cre) ในหนูที่เลี้ยงอย่างมีนัยสำคัญ [33] (รูปที่ 5a) นอกจากนี้ การรักษายังช่วยบรรเทาความเสียหายทางเนื้อเยื่อที่เกิดจาก AKI อย่างมีนัยสำคัญ เช่น เนื้อร้ายในท่อ (รูปที่ 5b) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเกิดพังผืดคั่นระหว่างหน้าซึ่งสะท้อนถึงการลุกลามไปสู่โรคเรื้อรัง ได้รับการป้องกันอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน บรรพบุรุษที่ปลูกถ่ายทำให้ AKI ดีขึ้นโดยไม่ต้องรวมเข้ากับโฮสต์ไตเนื้อเยื่อ ซึ่งบ่งชี้ว่าผลของพาราไครน์จากปัจจัยรีโนโทรฟิกที่หลั่งจากแหล่ง hiPSCไตต้นกำเนิดเป็นสาเหตุหลักของผลการรักษา การอธิบายปัจจัยเหล่านี้จะนำไปสู่การพัฒนาเซลล์บำบัดเช่นเดียวกับยาตัวใหม่ที่ต่อต้าน AKI [33, 34]
Imberti และคณะ ยังรายงานผลการรักษาของการบำบัดด้วยเซลล์โดยใช้ hiPSC-derivedไตบรรพบุรุษต่อต้านโมเดลเมาส์ AKI ที่เกิดจาก cisplatin [35] พวกเขาฉีดเหมือน NPC ที่ได้มาจาก hiPSCไตต้นกำเนิดที่สร้างด้วยโปรโตคอลของพวกเขาในโมเดลเมาส์ AKI ผ่านหลอดเลือดดำส่วนหาง การบำบัดด้วยการปลูกถ่ายนี้ยังช่วยให้ AKI ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยเห็นได้จากระดับ BUN ที่ลดลงและการตรวจเนื้อเยื่อ แม้ว่าโปรโตคอลความแตกต่างเพื่อสร้างไตบรรพบุรุษและโมเดลเมาส์ AKI ต่างกัน รายงานทั้งสองฉบับในช่วงแรกแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ในการรักษาที่เป็นไปได้ของการบำบัดด้วยเซลล์โดยใช้บรรพบุรุษของไตที่ได้มาจาก hiPSC บนโรคไต
บทสรุปและมุมมองในอนาคต ความก้าวหน้าที่สำคัญในการสร้างตัวอ่อนไตบรรพบุรุษและไตมีการสร้างเนื้อเยื่อจาก hPSCs อย่างไรก็ตาม มีอุปสรรคที่ต้องเอาชนะก่อนการสมัครทางคลินิก ว่าด้วยเรื่องการบูรณะปฏิสังขรณ์ไต, รุ่นใหญ่ไตเนื้อเยื่อและไตโครงสร้างคล้ายกระดูกเชิงกรานและท่อไตซึ่งท่อรวบรวมยังไม่บรรลุผล นอกจากนี้ การบูรณาการของ hiPSC-derivedไตจำเป็นต้องมีโครงสร้างสำหรับเรือขนาดใหญ่ การบำบัดด้วยเซลล์โดยใช้ hiPSC-derivedไตควรตรวจสอบต้นกำเนิดด้วยแบบจำลอง CKD ในที่สุดโมเดลที่ใช้ hiPSC ก็ได้รับการพัฒนาสำหรับบางคนโรคไตรวมทั้ง ADPKD และการระบุสารประกอบยาที่คัดค้านโรคไตเป็นที่คาดหวัง
รูปที่ 4 ความแตกต่างของเซลล์ที่ผลิต EPO และการบำบัดด้วยเซลล์ต่อต้านไตโรคโลหิตจาง การสร้างภูมิคุ้มกันของเซลล์ที่ผลิต EPO ที่ได้มาจาก hiPSC (เซลล์ hiPSC-EPO) สำหรับ EPO (สีเขียว) และ AFP (สีแดง) b การวิเคราะห์ระยะเวลาของการแสดงออกของ EPO mRNA (ซ้าย) และการหลั่งโปรตีน (ขวา) โดยเซลล์ hiPSC-EPO ที่เพาะเลี้ยงภายใต้สภาวะต่ำ (1 เปอร์เซ็นต์) และสภาวะออกซิเจนปกติ (21 เปอร์เซ็นต์) การแสดงออกของ EPO mRNA และการคัดหลั่งโปรตีนถูกวิเคราะห์โดย qRT-PCR และ ELISA ตามลำดับ c ผลของสารยับยั้ง PHD ต่อการแสดงออกของ EPO mRNA (ซ้าย) และการหลั่งโปรตีน (ขวา) ในเซลล์ HepG2 และเซลล์ hiPSC-EPO d จำลองภาพที่ไม่พอใจของยูนิต-อีริทรอยด์ที่ก่อตัวเป็นชุด (BFU-E) ที่เหนี่ยวนำโดย EPO ของมนุษย์ชนิดลูกผสม (rhEPO; ด้านบน) และโปรตีน hiPSC-EPO (ด้านล่าง) ในการทดสอบต้นกำเนิดเม็ดเลือดที่โคลนจากโคลนโดยใช้อาหารเลี้ยงเชื้อกึ่งแข็งที่มีเมทิล เซลลูโลส e ค่าฮีมาโตคริตได้รับการประเมินนานถึง 28 สัปดาห์หลังการปลูกถ่ายเซลล์ hiPSC-EPO ไปเป็นการกระตุ้นอะดีนีนไตหนูเมาส์ที่มีภูมิคุ้มกันบกพร่อง (NOD. CB17-หนู Prkdcscid/J) พื้นที่สีเทาแสดงถึงช่วงฮีมาโตคริตปกติ แท่งมาตราส่วน 40 μm (a) และ 200 μm in (d) ดัดแปลงมาจากฮิโตมิและคณะ (32)
คำขอบคุณ ผู้เขียนขอขอบคุณสมาชิกทุกคนของ CiRA, Kyoto University โดยเฉพาะ Dr. Peter Karagiannis ที่อ่านและเรียบเรียงต้นฉบับอย่างมีวิจารณญาณ และ Ms. Misaki Ochiuda ที่วาดภาพภาพประกอบ และขออภัยผู้เขียนที่ไม่สามารถอ้างถึงการศึกษาได้เนื่องจาก ข้อจำกัดด้านพื้นที่ งานวิจัยของผู้เขียนได้รับการสนับสนุนโดยหน่วยงานวิจัยและพัฒนาทางการแพทย์แห่งประเทศญี่ปุ่น (AMED) ผ่านทุนวิจัย "ศูนย์แกนกลางสำหรับการวิจัยเซลล์ iPS การพัฒนาเทคโนโลยี และโครงการเร่งรัดสำหรับการวิจัยโรคติดต่อยากโดยใช้เซลล์ iPS เฉพาะโรค การวิจัย เครือข่ายศูนย์ส่งเสริมเวชศาสตร์ฟื้นฟู”.
การปฏิบัติตามมาตรฐานทางจริยธรรม
ขัดผลประโยชน์KO เป็นผู้ก่อตั้งและสมาชิกที่ไม่มีเงินเดือนจากคณะกรรมการที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์ของ iPS Portal, Inc. และเป็นผู้ก่อตั้งและหัวหน้าที่ปรึกษาด้านวิทยาศาสตร์ของ RegeNephro Co., Ltd.สิทธิมนุษยชนและสิทธิสัตว์การทดลองทั้งหมดกับ iPSC ได้รับการอนุมัติจากคณะกรรมการจริยธรรมของสถาบัน และดำเนินการตามแนวทางของสถาบันและปฏิญญาเฮลซิงกิ การทดลองกับสัตว์ทั้งหมดได้รับการอนุมัติจากคณะกรรมการทดลองสัตว์ของสถาบันและดำเนินการตามแนวทางของสถาบันความยินยอมได้รับความยินยอมจากบุคคลทุกคนที่มีการใช้ iPSC ในการศึกษา
เปิดการเข้าถึงบทความนี้ได้รับอนุญาตภายใต้ Creative Commons Attribution 4.0 International License ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แบ่งปัน ดัดแปลง แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อหรือรูปแบบใดๆ ตราบใดที่คุณให้เครดิตที่เหมาะสมกับผู้เขียนต้นฉบับ และแหล่งที่มา ระบุลิงก์ไปยังใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ และระบุว่ามีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ รูปภาพหรือเนื้อหาของบุคคลที่สามในบทความนี้รวมอยู่ในใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ของบทความ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่นในวงเงินของเนื้อหา หากเนื้อหาไม่รวมอยู่ในใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ของบทความ และการใช้งานตามวัตถุประสงค์ของคุณไม่ได้รับอนุญาตตามข้อบังคับทางกฎหมายหรือเกินกว่าการใช้งานที่ได้รับอนุญาต คุณจะต้องได้รับอนุญาตโดยตรงจากผู้ถือลิขสิทธิ์ เพื่อดูสำเนาใบอนุญาตนี้
