Investigadores Utilizan Células Madre Humanas Para Crear Un Modelo Del Glomérulo Renal Humano

El nuevo modelo podría facilitar el descubrimiento de fármacos e iluminar los mecanismos de la enfermedad renal

Los riñones están formados por aproximadamente un millón de pequeñas unidades que funcionan para filtrar la sangre. Los investigadores han intentado diseñar células madre humanas para que se formen en podocitos funcionales. Un podocito madurado derivado de células madre humanas se captura aquí mediante una micrografía electrónica de barrido.

Un equipo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard ha desarrollado un modelo in vitro del glomérulo del riñón humano, que podría facilitar el descubrimiento de fármacos e iluminar los mecanismos de la enfermedad renal.

El riñón, compuesto por alrededor de un millón de pequeñas unidades que funcionan para filtrar la sangre, constantemente libera al cuerpo de productos de desecho no deseados para formar orina. Durante el proceso, también retiene las células sanguíneas y las proteínas valiosas y controla el contenido de líquidos del cuerpo.

La clave de cada una de estas unidades es una estructura conocida como glomérulo, en la que las llamadas células podocitos se envuelven firmemente alrededor de un mechón de capilares. Separados por una membrana delgada compuesta de matriz extracelular, se dejan hendiduras entre ellos para construir una barrera de filtración real. Los podocitos también son el objetivo de enfermedades renales congénitas o adquiridas, sin embargo, a menudo se ven perjudicados por las drogas.

Con el fin de construir un modelo in vitro del glomérulo humano que podría permitir una mejor comprensión de su función, las vulnerabilidades a las enfermedades y la toxicidad de los medicamentos, los investigadores han estado intentando diseñar células madre humanas, que en teoría pueden dar lugar a cualquier tipo de célula madura. – para formar podocitos funcionales. Estos esfuerzos de cultivo celular, sin embargo, hasta ahora no han logrado producir poblaciones de podocitos maduros lo suficientemente puros como para ser útiles para modelar la filtración glomerular.

Un equipo dirigido por Donald Ingber en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard ahora informa una solución a este desafío en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza. Su proceso permite la diferenciación de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPS) en podocitos maduros con una eficiencia superior al 90 por ciento. Al vincular el proceso de diferenciación con la tecnología de órgano en un chip iniciada por el equipo de Ingber, los investigadores desarrollaron el primer modelo in vitro del glomérulo humano, demostrando una filtración eficaz y selectiva de las proteínas sanguíneas y la toxicidad de los podocitos inducida por un fármaco de quimioterapia. in vitro.

“El desarrollo de un chip glomérulo de riñón humano funcional abre un camino experimental completamente nuevo para investigar la biología renal, realizar modelos altamente personalizados de enfermedades renales y toxicidad de fármacos, y los podocitos renales derivados de células madre que desarrollamos podrían incluso ofrecer un nuevo inyectable enfoque de terapia celular para la medicina regenerativa en pacientes con glomerulopatías potencialmente mortales en el futuro ”, dijo Ingber, quien es director del Instituto Wyss.

El equipo de Ingber ha diseñado múltiples órganos en chips que imitan con precisión la fisiología a nivel de órganos y tejidos humanos y actualmente están siendo evaluados por la Administración de Alimentos y Medicamentos como herramientas para estudiar los efectos de los peligros químicos y biológicos potenciales que se encuentran en alimentos, cosméticos o suplementos dietéticos con mayor eficacia que en los sistemas de cultivo o modelos animales existentes. En 2013, su equipo desarrolló un dispositivo de cultivo de microfluidos de órgano en un chip que modeló el túbulo proximal del riñón humano, que está conectado anatómicamente al glomérulo y recupera los iones del líquido urinario. Ahora, con el glomérulo en un chip, los investigadores también pueden obtener acceso in vitro a los mecanismos centrales de filtración en el riñón que son fundamentales para la depuración y la farmacocinética del fármaco, además de estudiar los podocitos humanos en el trabajo.

Para generar poblaciones casi puras de podocitos humanos en cultivo celular, Samira Musah, la primera autora del estudio y Dean’s Postdoc de la Escuela de Medicina de Harvard (HMS), aprovechó piezas del arsenal de los biólogos de células madre y las fusionó con fragmentos tomados de investigaciones anteriores de Ingber sobre cómo las células del cuerpo responden a factores adhesivos y fuerzas físicas en sus entornos tisulares.

“Nuestro método no solo utiliza factores solubles que guían el desarrollo del riñón en el embrión, sino que, al hacer crecer y diferenciar las células madre en los componentes de la matriz extracelular que también están contenidos en la membrana que separa la sangre glomerular y el sistema urinario, imitamos más de cerca el entorno natural. en el que los podocitos se inducen y maduran ”, dijo Musah. “Incluso logramos inducir gran parte de este proceso de diferenciación dentro de un canal del chip de microfluidos, donde, al aplicar movimientos cíclicos que imitan las deformaciones rítmicas que experimentan los glomérulos vivos debido a los pulsos de presión generados por cada latido, logramos eficiencias de maduración aún mayores”.

El sistema de microfluidos completo se parece mucho a una sección transversal tridimensional viva de la pared glomerular humana. Consiste en un material polimérico flexible, ópticamente transparente, del tamaño de un chip de memoria de computadora en el que dos microcanales estrechamente opuestos están separados por una membrana porosa recubierta de matriz extracelular que corresponde a la membrana basal glomerular del riñón. En uno de los canales que miran hacia la membrana, los investigadores cultivan células endoteliales glomerulares para imitar el compartimento de microvasos sanguíneos de los glomérulos. Las células iPS se cultivan en el lado opuesto de la membrana en el otro canal que representa el compartimento urinario del glomérulo, donde se inducen a formar una capa de podocitos maduros que extienden procesos celulares largos a través de los poros de la membrana y entran en contacto con el subyacente. células endoteliales. Además, los canales del dispositivo se estiran y relajan rítmicamente a una frecuencia de un latido por segundo aplicando succión cíclica a las cámaras huecas colocadas a ambos lados de los microcanales revestidos de células para imitar las deformaciones fisiológicas de la pared glomerular.

“Este sistema in vitro nos permite recapitular eficazmente la filtración de pequeñas sustancias contenidas en la sangre en el compartimento urinario mientras retiene grandes proteínas en el compartimento sanguíneo al igual que en nuestro cuerpo, y podemos visualizar y controlar el daño infligido por los fármacos que provocan la degradación. de la barrera de filtración en el riñón ”, dijo Musah.

Otros autores incluyen a Akiko Mammoto y Tadanori Mammoto, quienes en el momento del estudio eran instructores en el Programa de Biología Vascular y el Departamento de Cirugía del Boston Children’s Hospital, así como investigadores actuales o pasados ​​del Instituto Wyss, incluidos Thomas Ferrante, Sauveur Jeanty, Kristen Roberts. , Seyoon Chung, Richard Novak, Miles Ingram, Tohid Fatanat-Didar, Sandeep Koshy y James Weaver. Ingber es profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y del Programa de Biología Vascular en el Boston Children’s Hospital, así como profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

La financiación para el estudio fue proporcionada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. Musah recibió el apoyo de una beca posdoctoral del decano del HMS, un premio del programa de enriquecimiento posdoctoral del Burroughs Wellcome Fund, una beca posdoctoral UNCF-Merck y una beca de formación en nefrología del NIH / NIDDK.

Publicación: Samira Musah, et al., “Los podocitos humanos derivados de células madre pluripotentes inducidas maduras reconstituyen la función de la pared capilar glomerular del riñón en un chip”, Nature Biomedical Engineering 1, número de artículo: 0069 (2017); doi: 10.1038 / s41551-017-0069

Añadir un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *