Le colture tubuloidi renali umane rappresentano un prezioso modello in vitro per studiare la fisiologia e la malattia renale. I tubuloidi possono essere stabiliti dal tessuto renale (sano e malato) e dall’urina, quest’ultima rappresenta una fonte facilmente ottenibile e meno invasiva di materiale di ricerca.
Gli organoidi epiteliali renali umani derivati dalle cellule staminali adulte (ASC), o tubuloidi, possono essere stabiliti da epitelio renale sano e malato con alta efficienza. I normali tubuloidi renali ricapitolano molti aspetti del loro tessuto di origine. Rappresentano segmenti di nefroni distinti – in particolare del tubulo prossimale, dell’ansa di Henle, dei tubuli distali e del dotto di raccolta – e possono essere utilizzati per studiare la normale fisiologia renale. Inoltre, la tecnologia tubuloide facilita la modellazione delle malattie, ad esempioper le malattie infettive e per il cancro. L’ottenimento di cellule epiteliali renali per la generazione di tubuloidi dipende, tuttavia, dal materiale chirurgico avanzato (come le nefrectomie parziali) o dalle biopsie con ago. La capacità di far crescere tubuloidi dalle urine fornirebbe una fonte alternativa e meno invasiva di cellule epiteliali renali sane. È stato precedentemente dimostrato che le colture tubuloidi possono essere generate con successo solo da pochi millilitri di urina appena raccolta. Questo articolo descrive i protocolli per generare e propagare colture tubuloidi renali umane derivate da ASC da campioni di tessuto e urina.
I reni svolgono la funzione di controllare sistemicamente l’equilibrio dei fluidi corporei. La compromissione della loro funzione fisiologica può essere causata da diversi fattori, tra cui diabete, ipertensione e tossicità indotta da farmaci1. Per una migliore comprensione della normale fisiologia renale e dello sviluppo di malattie renali, l’uso di modelli preclinici rappresentativi è cruciale. Negli ultimi anni, sono stati generati diversi modelli renali in vitro basati sulla cosiddetta tecnologia organoide2. Gli organoidi sono strutture tridimensionali e multicellulari che assomigliano alla morfologia e alla fisiologia del tessuto (normale o malato) da cui provengono. Possono essere generati da cellule staminali pluripotenti (PSC) o adulte (ASC), ognuna con le proprie caratteristiche e applicazioni.
Gli organoidi renali derivati dalla PSC imitano la nefrogenesi3,4,5. Possono anche essere stabiliti da cellule impegnate derivate dal paziente mediante dedifferenziazione forzata (pluripotenza indotta o iPSC). Le iPSC possono successivamente essere differenziate nei diversi tipi di cellule del nefrone, l’unità funzionale del rene, mediante esposizione tempestiva a specifici cocktail di fattori di crescita. Durante la creazione di un mini-organo piuttosto completo in un piatto, la loro istituzione rimane dispendiosa in termini di tempo e, a causa del protocollo di riprogrammazione, le iPSC possono essere suscettibili di instabilità genetica indesiderata6. Inoltre, gli organoidi iPSC non sono in grado di maturare completamente in cellule renali adulte, rivelando un profilo del trascrittoma che assomiglia al rene fetale in una fase iniziale di sviluppo7.
I tubuloidi renali umani derivati dall’ASC hanno dimostrato di ricapitolare il rinnovamento dell’epitelio renale adulto. Rappresentano principalmente il tubulo prossimale, l’ansa di Henle, i tubuli distali e il dotto di raccolta, come confermato dall’espressione di diverse proteine trasportatere8,9,10. Il protocollo di coltura tubuloide consente la rapida espansione del tessuto renale derivato dal paziente, pur mantenendo un genoma stabile. Le applicazioni di ricerca includono lo studio della normale fisiologia renale, nefrotossicità, test antidroga e modelli di malattia8,10,11,12. Una potenziale limitazione della creazione di colture organoidi derivate dal paziente, compresi i tubuloidi, è la disponibilità di tessuto fresco. Tuttavia, diversi rapporti hanno dimostrato che l’urina può servire come fonte per le cellule epiteliali renali, fornendo così una strategia molto più semplice e meno invasiva per ottenere materiale paziente per colture tubuloidi8,13,14. In effetti, è stato recentemente dimostrato che i tubuloidi possono essere coltivati dall’urina8. Questo articolo descrive la creazione e il mantenimento di colture tubuloidi dal tessuto renale e dalle urine.
Gli organoidi sono considerati avatar del tessuto da cui derivano. Consentono una rapida espansione del materiale del paziente pur mantenendo le caratteristiche genotipiche e fenotipiche del tessuto di origine15. La tecnologia organoide ha recentemente aperto le porte allo sviluppo di modelli preclinici più rappresentativi, che possono essere utilizzati come strumenti importanti per tradurre i risultati dal banco al capezzale. I tubuloidi renali sono promettenti modelli in vitro per testare la nefrotossicità indotta da farmaci, un effetto collaterale comune di molti farmaci chemioterapici2,8,12. Pertanto, le colture organoidi tumorali derivate dal paziente hanno dimostrato di essere predittive per la risposta del paziente al trattamento16,17,18. Testare i farmaci in modo ad alto rendimento sui tubuloidi consente quindi potenzialmente una migliore definizione delle finestre terapeutiche e riduce il rischio di nefrotossicità indotta da farmaci nei pazienti.
Gli antibiotici comunemente usati sono stati descritti per esercitare un effetto tossico sui reni19. Sebbene la presenza di antibiotici ad ampio spettro sia necessaria per il successo della creazione delle colture prevenendo la contaminazione, è importante considerare la loro potenziale nefrotossicità. Sebbene non siano stati osservati effetti negativi degli antibiotici sulla creazione di colture tubuloidi, sono necessarie ulteriori indagini per valutare a fondo i loro effetti. I tubuloidi possono essere sfruttati per studiare e modellare le malattie8. Le ciliopatie (disfunzione patologica delle ciglia) e altre sindromi genetiche che colpiscono il rene potrebbero essere studiate generando linee tubuloidi direttamente dai soggetti affetti o utilizzando colture sane in cui le mutazioni driver specifiche della malattia possono essere introdotte tramite l’editing del genoma CRISPR / Cas920.
Sebbene i tubuloidi siano colture renali multicellulari, mancano di diversi tipi di cellule renali, inclusi podociti e cellule endoteliali8. Inoltre, a differenza di altri modelli organoidi derivati dall’ASC, i tubuloidi hanno un potenziale replicativo limitato in quanto possono essere coltivati per circa 15 passaggi. Questa durata limitata può, tuttavia, essere significativamente estesa dall’aggiunta di Wnt al terreno dicoltura 21. È necessaria un’ulteriore ottimizzazione del protocollo di coltura tubuloide per renderli ancora più rappresentativi del rene, compresi i tipi di cellule più differenziati. Sebbene l’efficienza dell’insediamento di tubuloidi da campioni di tessuto sia molto elevata (>95%), può, in rari casi, fallire. Ci possono essere diverse cause tra cui: 1) scarsa qualità del materiale di partenza(ad esempio,tessuto necrotico come conseguenza del trattamento farmacologico), 2) sovradigestione del campione di tessuto o 3) contaminazione del campione primario.
Per assicurarsi che la qualità dei campioni di tessuto ricevuti sia sufficiente per procedere con il protocollo, è importante mantenere uno stretto contatto con il personale di patologia che esegue la valutazione del tessuto al momento dell’intervento chirurgico. Se è disponibile materiale sufficiente, la sua vitalità deve essere confermata da un esame istologico(ad esempio,colorazione di ematossilina ed eosina). Inoltre, per prevenire la lisi cellulare durante la digestione enzimatica, è importante che la procedura di incubazione non sia più lunga di 1 ora. Infine, per prevenire la contaminazione, antibiotici e agenti antifungini dovrebbero essere aggiunti ai mezzi di lavaggio e di coltura.
L’urina può contenere cellule epiteliali esfoliate che non derivano dal rene22, che possono contaminare le colture tubuloidi. Questi includono, ad esempio, le cellule di uterio che sono, a differenza delle cellule tubulari renali, positive per la proteina tumorale P63 e negative per PAX88. Si raccomanda pertanto di testare le colture per la positività a PAX8 per confermare la purezza delle linee tubuloidi renali stabilite prima di procedere con esperimenti di follow-up (Figura 4B).
L’urina rappresenta un ambiente ostile per le cellule a causa dell’alta pressione osmotica e del basso pH. È quindi fondamentale per il successo del protocollo che i campioni vengano elaborati il prima possibile al momento della raccolta delle urine. Pertanto, l’urina raccolta deve essere diluita e ampiamente lavata con soluzione tamponata il prima possibile per garantire la presenza di cellule vitali al momento della semina. Il tasso di successo dello stabilimento tubuloide diminuirà significativamente se l’urina viene conservata per diverse ore prima dell’elaborazione. Infine, sebbene sterile, l’urina ha un alto rischio di contaminazione associato al processo di raccolta. È quindi importante integrare il mezzo di lavaggio e di crescita con antibiotici e agenti antifungini. Tenendo conto di tutto quanto sopra, è possibile ottenere un tasso di successo di circa il 50%.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo tutti i pazienti e le loro famiglie per aver partecipato allo studio. Ringraziamo il team clinico che ha facilitato la nostra ricerca. Siamo grati per il sostegno del Consiglio europeo della ricerca (CER) 850571 (J.D.), della Dutch Cancer Society (KWF) / Alpe d’HuZes Bas Mulder Award (n. 10218, J.D.), dell’Oncode Institute e della Foundation Children Cancer Free (KiKa n. 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 |