Los cultivos de tubuloides renales humanos representan un valioso modelo in vitro para estudiar la fisiología y la enfermedad renal. Los tubuloides se pueden establecer a partir del tejido renal (sano y enfermo), así como de la orina, esta última representa una fuente de material de investigación fácilmente obtenible y menos invasiva.
Los organoides epiteliales renales humanos derivados de células madre adultas (ASC), o tubuloides, se pueden establecer a partir de epitelio renal sano y enfermo con alta eficiencia. Los tubuloides renales normales recapitulan muchos aspectos de su tejido de origen. Representan distintos segmentos de nefrona, especialmente del túbulo proximal, el asa de Henle, los túbulos distales y el conducto colector, y se pueden usar para estudiar la fisiología renal normal. Además, la tecnología tubuloide facilita el modelado de enfermedades, por ejemplo,para enfermedades infecciosas y para el cáncer. Sin embargo, la obtención de células epiteliales renales para la generación de tubuloides depende del material quirúrgico sobrante (como las nefrectomías parciales) o de las biopsias con aguja. La capacidad de cultivar tubuloides a partir de la orina proporcionaría una fuente alternativa y menos invasiva de células epiteliales renales sanas. Se ha demostrado previamente que los cultivos tubuloides se pueden generar con éxito a partir de solo unos pocos mililitros de orina recién recolectada. Este artículo describe los protocolos para generar y propagar cultivos de tubuloides renales humanos derivados de ASC a partir de muestras de tejido y orina.
Los riñones realizan la función de controlar sistémicamente el equilibrio de los fluidos corporales. El deterioro de su función fisiológica puede ser causado por diferentes factores, incluyendo diabetes, hipertensión y toxicidad inducida por medicamentos1. Para una mejor comprensión de la fisiología renal normal, así como el desarrollo de enfermedades renales, el uso de modelos preclínicos representativos es crucial. En los últimos años se han generado varios modelos renales in vitro basados en la denominada tecnología organoide2. Los organoides son estructuras tridimensionales y multicelulares que se asemejan a la morfología y fisiología del tejido (normal o enfermo) del que se originan. Se pueden generar a partir de células madre pluripotentes (PSC) o adultas (ASC), cada una con sus propias características y aplicaciones.
Los organoides renales derivados de PSC imitan la nefrogénesis3,4,5. También se pueden establecer a partir de células comprometidas derivadas del paciente mediante desdiferenciación forzada (pluripotencia inducida o iPSC). Las iPSC se pueden diferenciar posteriormente en los diferentes tipos de células de la nefrona, la unidad funcional del riñón, mediante la exposición oportuna a cócteles de factores de crecimiento específicos. Si bien se crea un mini-órgano bastante completo en un plato, su establecimiento sigue consumiendo mucho tiempo, y debido al protocolo de reprogramación, las iPSC pueden ser susceptibles a la inestabilidad genética no deseada6. Además, los organoides iPSC no son capaces de madurar completamente en células renales adultas, revelando un perfil de transcriptoma que se asemeja al riñón fetal en una etapa temprana de desarrollo7.
Se ha demostrado que los tubuloides renales humanos derivados de ASC recapitulan la renovación del epitelio renal adulto. Representan principalmente el túbulo proximal, el asa de Henle, los túbulos distales y el conducto colector, como lo confirma la expresión de diferentes proteínas transportadoras8,9,10. El protocolo de cultivo tubuloide permite la rápida expansión del tejido renal derivado del paciente, al tiempo que conserva un genoma estable. Las aplicaciones de investigación incluyen el estudio de la fisiología renal normal, la nefrotoxicidad, las pruebas de drogas, así como el modelado de enfermedades8,10,11,12. Una limitación potencial del establecimiento de cultivos de organoides derivados de pacientes, incluidos los tubuloides, es la disponibilidad de tejido fresco. Sin embargo, varios informes han demostrado que la orina puede servir como fuente de células epiteliales renales, proporcionando así una estrategia mucho más simple y menos invasiva para obtener material de paciente para cultivos tubuloides8,13,14. De hecho, recientemente se ha demostrado que los tubuloides se pueden cultivar a partir de la orina8. Este artículo describe el establecimiento y mantenimiento de cultivos tubuloides a partir de tejido renal y orina.
Los organoides se consideran avatares del tejido del que se derivan. Permiten una rápida expansión del material del paciente al tiempo que conservan las características genotípicas y fenotípicas del tejido de origen15. La tecnología organoide ha abierto recientemente las puertas para el desarrollo de modelos preclínicos más representativos, que pueden utilizarse como herramientas importantes para traducir los hallazgos del banco a la cabecera. Los tubuloides renales son modelos in vitro prometedores para probar la nefrotoxicidad inducida por fármacos, un efecto secundario común de muchos fármacos quimioterapéuticos2,8,12. Como tal, se demostró que los cultivos de organoides tumorales derivados del paciente son predictivos de la respuesta del paciente al tratamiento16,17,18. Por lo tanto, probar medicamentos de manera de alto rendimiento en tubuloides permite potencialmente una mejor definición de las ventanas terapéuticas y disminuye el riesgo de nefrotoxicidad inducida por medicamentos en los pacientes.
Se ha descrito que los antibióticos de uso común ejercen un efecto tóxico sobre los riñones19. Aunque la presencia de antibióticos de amplio espectro es necesaria para el establecimiento exitoso de los cultivos mediante la prevención de la contaminación, es importante considerar su posible nefrotoxicidad. Aunque no se han observado efectos negativos de los antibióticos en el establecimiento de cultivos tubuloides, se necesita más investigación para evaluar a fondo sus efectos. Los tubuloides pueden ser explotados para estudiar y modelar enfermedades8. Las ciliopatías (disfunción patológica de los cilios), así como otros síndromes genéticos que afectan al riñón, podrían estudiarse generando líneas tubuloides directamente de los sujetos afectados, o mediante el uso de cultivos sanos en los que se pueden introducir mutaciones impulsoras específicas de la enfermedad a través de la edición del genoma CRISPR / Cas920.
Aunque los tubuloides son cultivos renales multicelulares, carecen de varios tipos de células renales, incluyendo podocitos y células endoteliales8. Además, a diferencia de algunos otros modelos organoides derivados de ASC, los tubuloides tienen un potencial replicativo limitado, ya que se pueden cultivar durante aproximadamente 15 pasajes. Sin embargo, esta vida útil limitada puede extenderse significativamente mediante la adición de Wnt al medio de cultivo21. Se requiere una mayor optimización del protocolo de cultivo de tubuloides para hacerlos aún más representativos del riñón, incluidos los tipos de células más diferenciadas. Aunque la eficiencia del establecimiento de tubuloides a partir de muestras de tejido es muy alta (>95%), puede, en casos raros, fallar. Puede haber diferentes causas que incluyen: 1) mala calidad del material de partida(por ejemplo,tejido necrótico como consecuencia del tratamiento farmacológico), 2) sobredigestión de la muestra de tejido o 3) contaminación de la muestra primaria.
Para asegurarse de que la calidad de las muestras de tejido recibidas es suficiente para proceder con el protocolo, es importante mantener un contacto cercano con el personal de patología que realiza la evaluación del tejido en la cirugía. Si se dispone de material suficiente, su viabilidad debe confirmarse mediante un examen histológico(por ejemplo,tinción de hematoxilina y eosina). Además, para prevenir la lisis celular durante la digestión enzimática, es importante que el procedimiento de incubación no sea superior a 1 h. Por último, para evitar la contaminación, se deben agregar antibióticos y agentes antifúngicos a los medios de lavado y cultivo.
La orina puede contener células epiteliales exfoliadas que no se derivan del riñón22,lo que puede contaminar los cultivos tubuloides. Estos incluyen, por ejemplo, células de urotelio que son, a diferencia de las células tubulares renales, positivas para la proteína tumoral P63 y negativas para PAX88. Por lo tanto, se recomienda probar la positividad de PAX8 en los cultivos para confirmar la pureza de las líneas tubuloides renales establecidas antes de proceder con experimentos de seguimiento(Figura 4B).
La orina representa un ambiente hostil para las células debido a la alta presión osmótica y el bajo pH. Por lo tanto, es crucial para el éxito del protocolo que las muestras se procesen lo antes posible después de la recolección de orina. Como tal, la orina recolectada debe diluirse y lavarse ampliamente con solución tamponada lo antes posible para garantizar la presencia de células viables en el momento de la siembra. La tasa de éxito del establecimiento de tubuloides disminuirá significativamente si la orina se almacena durante varias horas antes del procesamiento. Por último, aunque estéril, la orina tiene un alto riesgo de contaminación asociado con el proceso de recolección. Por lo tanto, es importante complementar el lavado y el medio de crecimiento con antibióticos y agentes antifúngicos. Al tener en cuenta todo lo anterior, se puede lograr una tasa de éxito de aproximadamente el 50%.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a todos los pacientes y sus familias por participar en el estudio. Agradecemos al equipo clínico que facilitó nuestra investigación. Agradecemos el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC) 850571 (J.D.), la Sociedad Holandesa del Cáncer (KWF) / Premio Alpe d’HuZes Bas Mulder (no. 10218, J.D.), el Instituto Oncode y la Fundación Children Cancer Free (KiKa no. 292, C.C.)
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 |