人类肾结肠培养物是研究肾脏生理学和疾病的宝贵 体外 模型。甲状腺素可以从肾脏组织(健康和患病)以及尿液中建立,后者代表一种容易获得和侵入性较小的研究材料来源。
成人干细胞(ASC)衍生的人类肾脏上皮器官,或管状体,可以建立从健康和患病的肾脏上皮与高效率。正常的肾管状体可以概括其原产组织的许多方面。它们代表不同的肾上腺部分 – 最明显的近体管,亨勒环,基座管,和收集管道 – 并可用于研究正常的肾脏生理学。此外,管状技术还有助于疾病建模, 例如传染病和癌症。然而,获得管状体生成的肾上皮细胞取决于剩余的手术材料(如部分)肾切除术或针头活检。从尿液中培养管状体的能力将提供一种替代的、侵入性较小的健康肾脏上皮细胞来源。此前已经表明,管状培养物只能从几毫升新鲜收集的尿液中成功生成。本文描述了从组织和尿液样本中生成和传播ASC衍生的人类肾管培养物的程序。
肾脏执行系统控制体液平衡的功能。其生理机能的损伤可能由不同的因素引起,包括糖尿病、高血压和药物引起的毒性1。为了更好地了解正常的肾脏生理学以及肾脏疾病的发展,使用具有代表性的临床前模型至关重要。近年来,根据所谓的器官技术2,产生了几个体外肾脏模型。器官是三维的多细胞结构,类似于它们起源的组织的形态和生理学(正常或患病)。它们可以由多能干细胞(PSCs)或成人干细胞(ASC)产生,每个干细胞都有自己的特性和应用。
PSC衍生的肾脏器官模仿肾生成3,4,5。它们也可以通过强制分化(诱导多能性或iPSC)从患者衍生的致病细胞中建立。iPSC随后可以通过及时接触特定的生长因子鸡尾酒,区分成肾上腺素的不同细胞类型,肾功能单元。虽然在菜中创建一个相当完整的迷你器官,它们的建立仍然耗时,由于重新编程协议,iPSC可能容易受到不受欢迎的遗传不稳定6。此外,iPSC器官不能完全成熟成成人肾细胞,揭示出一个转录体配置文件,类似于胎儿肾脏在早期发育阶段7。
ASC衍生的人类肾管状体已被证明可以概括成人肾上皮的更新。它们主要代表近丘,亨勒环,异形管,和收集管道,通过不同运输蛋白的表达确认8,9,10。管状培养方案允许患者衍生肾脏组织的快速扩张,同时保持稳定的基因组。研究应用包括研究正常的肾脏生理学,肾毒性,药物测试,以及疾病建模8,10,11,12。建立患者衍生的器官培养物(包括管状体)的一个潜在局限性是新鲜组织的可用性。然而,一些报告表明,尿液可以作为肾脏上皮细胞的来源,从而提供了一个更简单,侵入性较小的策略,以获得患者材料的管状培养8,13,14。事实上,最近已经表明,管状体可以从尿液8生长。本文描述了从肾脏组织和尿液建立和维持管状培养物。
器官被认为是从中衍生出来的组织的化身。它们允许快速扩展患者材料,同时保留原产地组织15的基因型和表型特征。器官技术最近为开发更具代表性的临床前模型打开了大门,这些模型可用作将研究结果从长凳上翻译到床边的重要工具。肾管状物是有希望的体外模型,以测试药物引起的肾毒性,许多化疗药物2,8,12常见的副作用。因此,患者衍生的肿瘤器官培养物被证明对患者对治疗的反应具有预测性。因此,在管状体上以高通量方式测试药物,有可能更好地定义治疗窗口,并降低患者因药物引起的肾毒性的风险。
常用的抗生素被描述为对肾脏产生毒性作用。虽然广谱抗生素的存在对于通过防止污染成功建立文化是必要的,但重要的是要考虑它们潜在的肾毒性。虽然没有观察到抗生素对建立管状培养物的负面影响,但需要进一步调查,以彻底评估其影响。可利用图布勒类化合物研究和建模疾病8。Ciliopathies(西莉亚病理功能障碍)以及其他影响肾脏的遗传综合征可以通过直接从受影响的受试者生成管状线来研究,或者通过使用健康培养物,通过CRISPR/Cas9基因组编辑20引入疾病特异性驱动突变。
虽然管状体是多细胞肾脏培养物,但它们缺乏几种肾细胞类型,包括卵细胞和内皮细胞8。此外,与其他一些ASC衍生的器官模型相比,管状体具有有限的复制潜力,因为它们可以培养约15个通道。然而,这种有限的寿命可以通过在文化媒介21中加入Wnt来显著延长。需要进一步优化管状培养方案,使其更具代表性的肾脏,包括更差异化的细胞类型。虽然组织样本中管状物的建立效率非常高(>95%),但在极少数情况下,它可能会失败。原因可能不同,包括:1) 起始材料质量差(例如,药物治疗导致的坏死组织),2) 组织样本消化过度,或 3) 主要样品污染。
为了确保收到的组织样本的质量足以继续执行协议,务必与进行手术后组织评估的病理工作人员保持密切联系。如果有足够的材料,其可行性必须通过组织学检查(如血氧林和青霉素染色)来确认。此外,为了防止细胞裂解在酶消化过程中,重要的是孵化过程不超过1小时。最后,为了防止污染,应在洗涤和培养介质中添加抗生素和抗真菌剂。
尿液可以含有从肾脏22中提取的去角质上皮细胞,这些细胞会污染管状培养物。例如,这些细胞包括尿素细胞,与肾管细胞相比,对肿瘤蛋白P63呈阳性,对PAX88呈阴性。因此,建议在进行后续实验(图4B)之前,测试PAX8积极培养物,以确认既定肾管状体的纯度。
尿液代表一个敌对的环境细胞由于高渗透压力和低pH值。因此,在尿液收集后尽快处理样品对于协议的成功至关重要。因此,应尽快用缓冲溶液稀释和广泛清洗收集的尿液,以确保在播种时存在可行的细胞。如果尿液在处理前储存数小时,管状物的建立成功率将显著降低。最后,尿液虽然无菌,但与收集过程相关的污染风险很高。因此,用抗生素和抗真菌剂补充洗涤和生长介质非常重要。如果将上述所有因素考虑在内,可以达到大约 50% 的成功率。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢所有患者及其家属参与这项研究。我们感谢为我们的研究提供便利的临床团队。我们感谢欧洲研究理事会(ERC)开始向850571(J.D.)、荷兰癌症协会(KWF)/阿尔佩·德胡泽斯·巴斯·穆德奖(第10218号,J.D.)、Oncode研究所和无儿童癌症基金会(Kika no. 292,C.C)提供资助。
A83-01 | Tocris | 2939/10 | Stock of 5 mM, final concentration of 5 µM, activin receptor-like kinase 5 inhibitor |
Advanced DMEM/F12 | ThermoFisher Scientific | 12634010 | |
antiPAX8 antibody | LSBio | LS-B13466 | |
B27 supplement | ThermoFisher Scientific | 17504044 | Stock of 50x, final concentration of 1x |
BME | Trevigen | 3533-010-02 | |
Collagenase | Sigma Aldrich | C9407 | Stock of 10 mg/mL, final concentration of 1 mg/mL |
EGF | Peprotech | AF-100-15 | Stock of 0.5 mg/mL, final concentration of 50 ng/mL |
FGF10 | Peprotech | 100-26 | Stock of 0.1 mg/mL, final concentration of 100 ng/mL |
GlutaMAX – L-alanine/L-glutamine | Gibco | 35050061 | Stock of 100x, final concentration of 1x |
Hepes | Gibco | 15630106 | Stock of 1 M, final concentration of 10 mM |
Multiwell tissue culture plates 12 wells | CELLSTAR | 665180 | |
Multiwell tissue culture plates 24 wells | CELLSTAR | 662160 | |
Multiwell tissue culture plates 6 wells | CELLSTAR | 657160 | |
N-acetylcysteine | Sigma Aldrich | A9165 | Stock of 500 mM, final concentration of 1.25 mM |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140163 | Stock of 10.000 U/mL, final concentration of 100 U/mL |
Primocin – broad-range antibiotics | Invivogen | ant-pm-1 | Stock of 50 mg/mL, final concentration of 0.1 mg/mL |
Red blood cells lysis buffer | Roche | 11814389001 | |
RhoKinase inhibitor Y-27632 | Abmole Bioscience | M1817 | Stock of 100 mM, final concentration of 10 µM |
R-spondin conditioned medium | Produced in house with the use of stable cell lines generated by Calvin Kuo lab. Final concentration is 10% | ||
TrypLe Express/ trypsin replacement agent | ThermoFisher Scientific | 12605010 |