ヒト腎臓結管状尿細管培養は、腎臓生理学と疾患を研究するための貴重な インビトロ モデルを表す。尿管は、腎臓組織(健康および罹患)と尿から確立することができ、後者は容易に得られ、侵襲性の低い研究材料源を表す。
成人幹細胞(ASC)由来のヒト腎臓上皮オルガノイド、または管状突起は、高効率で健康で病気の腎臓上皮から確立することができる。正常な腎臓結管状突起は、その起源の組織の多くの側面を再現する。彼らは明確なネフロンセグメントを表しています – 特に近位細管、ヘンレのループ、遠位細管、および収集ダクト – と正常な腎臓生理学を研究するために使用することができます。さらに、尿細管技術は、例 えば、感染症および癌に対する疾患モデリングを容易にする。しかし、尿細管発生のための腎臓上皮細胞の取得は、残った外科材料(部分)腎摘出術または針の生検に依存する。尿から尿細管を成長させる能力は、健康な腎臓上皮細胞の代替、より侵襲性の低い供給源を提供するであろう。以前は、尿細管培養物が、採取した尿の数ミリリットルのみから正常に生成できることが示されています。この記事では、組織および尿サンプルから ASC 由来のヒト腎臓結節培養物を生成および伝播するためのプロトコルについて説明します。
腎臓は体液のバランスを全身的に制御する機能を果たす。それらの生理機能の障害は、糖尿病、高血圧、および薬物誘発毒性1を含む異なる要因によって引き起こされる可能性がある。腎疾患の発症だけでなく、正常な腎臓生理学をよりよく理解するためには、代表的な前臨床モデルの使用が重要です。近年、いわゆるオルガノイド技術2に基づいていくつかのインビトロ腎臓モデルが生成されている。オルガノイドは、それらが起源とする組織(正常または病気)の形態および生理学に似た三次元の多細胞構造である。それらは、多能性(PSC)または成体幹細胞(ASC)から生成することができ、それぞれが独自の特性と用途を持っています。
PSC由来の腎臓オルガノイドは、腎生年月日3、4、5を模倣する。それらはまた強制脱分化(誘発多能性またはiPSC)によって患者由来のコミットされた細胞から確立することができる。iPSCは、特定の成長因子カクテルにタイムリーに曝露することによって、腎臓の機能単位である腎細胞の異なる細胞タイプに分化することができます。皿の中でかなり完全なミニオルガンを作成しながら、その確立は時間のかかるままであり、再プログラミングプロトコルのために、iPSCは望ましくない遺伝的不安定性の影響を受けやすい6。さらに、iPSCオルガノイドは、成人腎臓細胞に完全に成熟することができないので、初期の発達段階7で胎児腎臓に似た転写体プロファイルを明らかにする。
ASC由来のヒト腎臓結管状管状突起は、成人腎臓上皮の再生を再現することが示されている。それらは主に、異なるトランスポータータンパク質8、9、10の発現によって確認されるように、近位管、ヘンレのループ、遠位管、および集集ダクトを表す。尿細管培養プロトコルは、安定したゲノムを保持しながら、患者由来の腎臓組織の急速な拡大を可能にする。研究アプリケーションには、正常な腎臓生理学、腎毒性、薬物検査、ならびに疾患モデリング8、10、11、12の研究が含まれます。管状体を含む患者由来のオルガノイド培養物の確立の潜在的な制限は、新鮮な組織の利用可能性である。しかしながら、いくつかの報告によると、尿は腎臓上皮細胞の供給源となり、それによって、管状体培養8、13、14の患者材料を得るためのはるかに単純で侵襲性の低い戦略を提供する。実際、尿管状の尿8から尿を成長させることができることが最近示されている。本稿では、腎臓組織および尿からの尿管状培養物の確立および維持について述べている。
オルガノイドは、それらが由来する組織のアバターと考えられる。それらは起源の組織15の遺伝子質および表述の特徴を維持している間患者材料の急速な拡大を可能にする。オルガノイド技術は最近、ベンチからベッドサイドに所見を翻訳するための重要なツールとして使用することができる、より代表的な前臨床モデルの開発のための扉を開いた。腎臓結管状突起は、薬物誘発性腎毒性を試験するためのインビトロモデルで有望であり、多くの化学療法薬2、8、12の一般的な副作用である。このように、患者由来の腫瘍オルガノイド培養物は、治療16、17、18に対する患者応答について予測的であることが実証された。したがって、尿細管でハイスループットな方法で薬物を検査すると、治療用ウィンドウのより良い定義が可能になり、患者における薬物誘発性腎毒性のリスクが低下する可能性があります。
一般的に使用される抗生物質は、腎臓19に毒性作用を及ぼすと記載されている。汚染を予防することによって培養物を正常に確立するためには、広域スペクトル抗生物質の存在が必要であるが、その潜在的な腎毒性を考慮することが重要である。尿細体培養の確立に対する抗生物質の悪影響は認められていないが、その効果を十分に評価するためには、さらなる調査が必要である。管状体は、病気を研究し、モデリングするために利用することができます8.毛細血管障害(繊毛の病理学的機能不全)ならびに腎臓に影響を及ぼす他の遺伝的症候群は、罹患した被験者から直接管状結線を生成するか、またはCRISPR/Cas9ゲノム編集20を介して疾患特異的ドライバー変異を導入できる健全な培養物を用いて研究することができる。
尿細管は多細胞性腎臓培養物であるが、それらは、ポドサイトおよび内皮細胞8を含むいくつかの腎細胞タイプを欠いている。さらに、他のASC由来オルガノイドモデルとは対照的に、管状体型は約15の通路に培養することができるため、限定的な複製ポテンシャルを有する。しかし、この限られた寿命は、Wntを培養培地21に添加することによって大幅に延長することができる。さらに、尿細形培養プロトコルの最適化は、より分化された細胞タイプを含む腎臓をより代表的なものにするために必要である。組織サンプルからの管状突起の確立の効率は非常に高いが(>95%)、まれに失敗する可能性がある。1)出発物質の質の悪さ(例えば、薬物治療の結果としての壊死組織)、2)組織サンプルの過剰消化、または3)一次サンプルの汚染を含む異なる原因がある可能性があります。
受け取った組織サンプルの品質がプロトコルを進めるのに十分であることを確認するには、手術時に組織の評価を行う病理スタッフとの密接な接触を維持することが重要です。十分な材料が利用可能な場合、その生存率は、組織学的検査(例えば、ヘマトキシリンおよびエオシン染色)によって確認されなければならない。さらに、酵素消化時の細胞ライシスを防ぐためには、インキュベーション手順が1時間以下でなることが重要である。最後に、汚染を防ぐために、抗生物質および抗真菌剤を洗浄および培養培地に添加すべきである。
尿は、尿細管培養を汚染する可能性がある腎臓22に由来しない剥離上皮細胞を含むことができる。これらは、例えば、尿路上皮細胞が、尿細管細胞とは対照的に、腫瘍タンパク質P63およびPAX88に対する陰性に対する陽性である。従って、PAX8陽性の培養をテストして、確立された腎臓結管状結線の純度を確認してから、フォローアップ実験を進めることをお勧めします(図4B)。
尿は、高い浸透圧と低pHによる細胞の敵対的な環境を表します。したがって、尿採取時にサンプルをできるだけ早く処理することがプロトコルの成功にとって重要です。したがって、採取した尿は、播種時に生存細胞の存在を確実にするために、できるだけ早く緩衝液で希釈し、広範囲に洗浄されるべきである。尿を処理する前に数時間保存すると、尿細管の確立の成功率が大幅に低下します。最後に、無菌であるが、尿は、採取プロセスに関連する汚染の危険性が高い。したがって、抗生物質および抗真菌剤で洗浄および成長培地を補うことが重要である。上記のすべてを考慮すると、約50%の成功率を達成することができます。
The authors have nothing to disclose.
私たちは、研究に参加してくれたすべての患者とその家族に感謝します。私たちは、私たちの研究を促進した臨床チームに感謝します。欧州研究評議会(ERC)の助成金850571(J.D.)、オランダ癌学会(KWF)/アルプ・デュゼス・バス・ムルダー賞(No.10218、J.D.)、オンコード研究所、財団チルドレン・キャンティ・アン・ガンフリー(KiKa no.292、C.C)の支援に感謝しています。
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 |