ヒトの急性腎臓損傷(AKI)は腎臓のネフロンを構成する上皮細胞の損傷によって引き起こされる一般的な臨床上の問題であり、AKIは50から70パーセント1の高い死亡率に関連付けられています。この現象を導くメカニズムと限界がよくわかっていないままにかかわらず、上皮細胞の破壊に続いて、ネフロンは、再生する機能が制限されています。このビデオの記事では、我々はターゲットレーザーのゼブラフィッシュ胚の腎臓で腎臓のネフロン細胞の切除、または前腎のための私たちのテクニックを説明します。私たちの新しいメソッドは、AKIの腎毒性誘発性のモデルを補完し、腎臓のネフロンにおける上皮再生に関連付けられている細胞と分子の変化の高解像度の理解を得るために使用することができます。
急性腎臓損傷(AKI)が腎不全1で絶頂に達する時間または数日の期間にわたる腎機能の悪化から、高い死亡率によって特徴づけられる。 AKIは、虚血、薬物ベースの毒性、または閉塞性傷害1を含む多くの要因によって引き起こされる場合があります。体液と電解質の恒常性を維持することができないでこの結果。 AKIが何十年も観察されている一方で、効果的な臨床治療法はまだ開発されていない必要があります。興味深いことに、AKI患者の一部は、時間の経過だけrudimentally 1,2を特徴としている不思議な現象が腎機能を回復する。 AKIの哺乳動物モデルを用いた研究は、虚血性または腎毒素、負傷した腎臓はネフロン細管1,2、上皮細胞タイプ3の特殊な地域のシリーズ(セグメント)から構成されている腎臓の機能単位での上皮細胞の死を経験することが示されている。ネフロン内で、上皮細胞死は、近位尿細管細胞で最高です。細胞の破壊が脱分化、増殖、および完全に1,2ネフロンを再生成することができます上皮細胞を、周囲の移行が続いている示唆するエビデンスがある。しかし、負傷した腎臓を再生するために人間の間で能力の幅広いバリエーションの理由にこれらのイベントを変調信号に至るまで腎上皮再生のメカニズムに関する多くの疑問が、あります。
幼生ゼブラフィッシュは、そのpronephric腎臓は4,5哺乳類を含む高等脊椎動物で保存されているネフロンから構成されているとして、腎臓上皮再生を研究する優れたモデルを提供します。ゼブラフィッシュ幼生のネフロンが原因若いゼブラフィッシュ6の相対的な透過性の蛍光技術を用いて可視化することができます。これは、腎臓では、動物内で内在化、構造的に複雑なシステムであるため、ネフロンにアクセスできない哺乳類のモデルとは対照的に、画像セルとリアルタイムの分子変化するユニークな機会を提供します。最近の研究では、AKIとその後の腎不全の研究のための毒性原因物質としてアミノグリコシドのゲンタマイシンを採用している:ゲンタマイシンおよび他の抗生物質がヒトにAKIを引き起こすことが示されている、と研究者は、ゼブラフィッシュ7の腎臓の損傷を誘発するために、このエージェントを使用する方法を策定しました、8。しかし、ゼブラフィッシュ幼生におけるアミノグリコシドの毒性の影響は壊滅的と致死であり、時間の経過とともに上皮再生と機能を研究する際に困難を提示れる。私たちの方法は、ゼブラフィッシュの上皮傷害の研究のための新たなツールとして、標的細胞のアブレーションの使用を示します。レーザーアブレーションは、研究者に細胞の限られた集団における細胞死を誘導する能力を与えます。細胞の様々な分野、形態学的位置、機能、あるいは特定の細胞表現型の発現に基づいてターゲットとすることができます。このように、レーザーアブレーションは、研究者が学ぶことができるものの特異性を増加し、腎上皮再生のメカニズムを解明するための強力な新しいアプローチすることができます。このプロトコルは、広く関心のコンテキストの任意の数の傷害と再生を研究するためにゼブラフィッシュ胚で他の臓器の細胞集団をターゲットに適用することができます。
ゼブラフィッシュは、科学の多くの側面全体に広く使用されているモデル生物、6を成長しているのアプリケーションです。 AKIのような腎疾患の研究ではゼブラフィッシュのモデルシステムの採用は重要な観測につながっていると腎臓の傷害7,8を研究する良いモデルであり続けるだろう。配列決定されたゲノムと場所で多くの分子のプロトコルで、それはトランスジェニックモデル、遺伝子のノックダウンとmisexpressionの研究を利用する洗練されたゼブラフィッシュの研究を実行することがますます容易になっています。ゼブラフィッシュは、大規模な世代のサイズと明確に定義された発達段階で短いライフサイクルを持っています。さらに、ゼブラフィッシュ胚および幼虫期は、生物の解剖せずにイメージング研究を可能にし、大部分が透明です。胚と幼生段階を通じて、ゼブラフィッシュは、これらの発達のタイムポイントの間に表示されたままにtwoネフロンから構成されるpronephric腎臓を持っています。ゼブラフィッシュpronephricネフロンは、4,5急性腎不全研究のための良いモデル作り、構造およびそれらの哺乳類の対応と機能的に似ています。
腎臓は、液体の代謝物の体を清潔に器官として、人間と他の脊椎動物の生存に不可欠です。このクレンジングの機能は、血液をフィルタリングし、分泌するための窒素廃棄物を収集するためにろ液を修正し、同時に体液と電解質バランスを維持するために腎臓のネフロンの能力にかかっている。ネフロンは、ダクト内の血液フィルター、上皮尿細管、およびドレインで構成されています。すべての3つの部分の構造的および機能的完全性は、ネフロンの機能に不可欠です。 nephrotoxinsへの曝露、虚血、または尿の流出路の閉塞を含む腎臓への様々な侮辱は、AKI 1で発生する可能性があります。 AKIの病理学は、しばしば急性尿細管壊死の1,2に関連付けられています。臨床研究は、腎不全をその後のことは70〜80パーセントから腎不全の原因とコンテキストに応じて任意の場所の範囲で指定できます死亡率を持っていることが示されている。しかし、AKIの根本原因の迅速な診断と反転がますます壊死ネフロンの尿細管の再生を経由して回復に関連付けられています。最近の運命のマッピングの研究は、損傷したネフロンの尿細管を再生成し、主要細胞集団が隣接し、無傷の領域12から由来する上皮細胞であることが示されている。これらの知見は、腎幹細胞/前駆細胞のプロセスに参加する可能性を排除していない、と独立した報告書では、骨髄由来の細胞は腎臓の再生13に貢献できることが示唆されている。それは、継続的な調査がよりよい腎上皮再生の細胞源を解決するために求められていることは明らかである。
ネフロンの再生と開発を共有する間葉と上皮表現型との間の細胞の状態でスイッチの現象の両方。ネフロンの開発中に、間葉系前駆細胞は、尿細管上皮3を形成する基底膜に付着、静止表現型に分化する。急性腎不全は、次の上皮細胞の推測回遊現象は、間葉表現型への分化が必要となる。興味深いことに、最近の研究では、損傷した腎臓で間葉系細胞が開発14の間葉系細胞と同様の発現プロファイルを示すことを示唆している。さまざまなレポートは、細胞接着分子、マトリックスタンパク質、サイトカインやケモカインの変化を検出した。上皮への移行提案間葉に続いて、細胞が基底膜に再組み立てし、尿細管上皮の活動を再起動してください。このプロセスで重要な遺伝子を決定することは私たちの研究室や他の人のための研究のテーマであり続けている。ずっとこのプロセスの主要な要因を解明する作業が行われるのままですが、フィールド内の重要な進展は、ゲンタマイシンの影響の研究が歓迎されている。
AKIとゲンタマイシンによって引き起こされる腎障害は医学15で使用した腎毒性化合物の有病率考えると関係があります。グラム陰性細菌感染症の治療薬として使用される、アミノグリコシドの投与は症例の10〜25%の急性傷害につながる。薬は一緒に多くの尿細管細胞のアポトーシスや壊死の結果、陰性細胞効果の茄多を引き起こす。研究では、エンドサイトーシスに関与しているメガリンとcubulinによって形成される複合体に優先的に結合する薬剤を発見した。彼らはこれらの細胞での発現に限定されるものではないものの、これらの分子は、近位尿細管の上皮細胞に豊富に見出される。酸化ストレスの誘導、血管収縮薬の放出、細胞内のATP、酸素の枯渇、ホスホリパーゼの阻害をもたらす細胞内シグナル伝達を介して、ゲンタマイシンと同じような抗生物質が原因となる上皮細胞のアポトーシスと壊死。さらに、抗生物質は、糸球体濾過率の低下が得られ、否定的に血流をフィルタリングする腎臓の能力を変えること、ネフロン血液フィルター(糸球体)にメサンギウム収縮を誘発する。活性酸素種の産生、免疫刺激分子、およびホスホリパーゼの活性化は、急性腎不全につながる致命的な病理を作成し、ネフロンの拡散効果を持っている。
ゲンタマイシンと類似の抗生物質の研究がされており、腎臓の再生研究のための重要なツールであり続けるだろうが、彼らは特定の質問への対応に役立てることができます精度を欠いている。このプロトコルで説明されているレーザーアブレーション法と一緒にゼブラフィッシュを用いての私たちのシステムは、このような精密な研究のツールの必要性に答える。レーザーアブレーションは、(2-3)小から他に類を見ない精度を持つ大規模な(> 50-100)集団、に至るまで、研究者は尿細管の重点分野における細胞破壊を誘導することができます。このプロトコルでは、我々は優先的に近位尿細管上皮集団にラベルを付けるためにデキストランコンジュゲートへの暴露の前に開発された手法を利用する。また、尿細管のいずれかまたは複数の領域に緑色蛍光タンパク質を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュの行は使用することができる。例えば、cadherin17:EGFPトランスジェニックゼブラフィッシュは、遠位尿細管の地域(ただし、近位集団で弱い)で強い蛍光を示し、他の尿細管のセグメント16で再生の研究に貴重かもしれない。ネフロンの可視性は、時間をかけて細胞の変化のタイムラプスビデオ録画が可能になります。 in situハイブリダイゼーションや免疫組織化学の全体マウントなどの遺伝子発現研究と組み合わせることで、研究者は時間をかけてネフロンにおける分子の変化を検出することができます。一緒になって、そのような戦略は、腎上皮細胞が破壊されるときに蒸散するイベントのよりダイナミックな理解を策定し始めることができます。
私達のレーザーアブレーションモデルの主な注意点は、それが人間のAKIで蒸散生理的条件の部分的な側面を再現できることです。瞬間的な物理的な損害を与えて誘発される細胞死は細胞で壊死につながるイベントのカスケードとは異なり、これらの異なる微小環境におけるそのような液性因子は同一ではない可能性がある。さらに、そこに腎臓の傷害時に誘導されるアポトーシスの証拠が存在し、それはそのような結果は、レーザーを使用して、次の侮辱を蒸散かどうかは不明である。しかし、細胞培養がより良い答えを高度に制御された環境を必要といくつかの質問に、そのツールであるのと同様に、レーザーアブレーションは非常にAKIのin vivoモデルでの制御として機能します。このように、ゼブラフィッシュで腎上皮アブレーションの研究から獲得洞察は、おそらく他の腎損傷の調査に適用し、潜在的にヒトのより良い診断メッセージを作成するために使用できる基本的な洞察の発見を推進していきます。
The authors have nothing to disclose.
我々は彼のメチルセルロースのレシピを共有するためのAKI生物学とゼブラフィッシュのテクニック、およびC.ディエップの有用な議論をWingertラボのメンバーに感謝。また、作者は私たちのゼブラフィッシュのコロニーのための優秀な継続的な畜産のケアを提供するためのゼブラフィッシュ研究のためのノートルダムセンターのスタッフメンバーに感謝の意を申し上げます。ノートルダム大学からの起動資金をNIH – NIDDK助成賞DK083512、そして寛大な研究室からの資金調達は、この作業を支持した。
Name of the reagent | Company | Catalogue number |
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Embryo dishes | Falcon | 35-1005 |
Dissection forceps | Roboz | RS-5010 |
Injection needles | Sutter Intruments | BF100-50-10 |
Ultrapure agarose | Invitrogen | 16500-500 |
40 kilodalton (kD) Dextran-fluorescein | Invitrogen | D1845 |
Plastic transfer pipet | Samco Scientific, Fisher | 204, 13-711-23 |
Tricaine | Sigma | E10521 |
Methylcellulose | Sigma | M0262 |
Depression slide | Fisher | S175201 |
12-well dish | Corning | 3512 |