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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Presentamos un protocolo optimizado para el procesamiento de riñones humanos completos para aislar y cultivar células epiteliales primarias del túbulo proximal renal y la aplicación de estas células en una plataforma tridimensional, microfluídica y microfisiológica para recapitular el túbulo proximal renal.
La enfermedad renal afecta a más de 850 millones de personas en todo el mundo, incluidos 37 millones de estadounidenses. Los factores de riesgo para la enfermedad renal crónica incluyen influencias ambientales, predisposiciones genéticas, afecciones médicas coexistentes y antecedentes de lesión renal aguda. Estos factores a menudo tardan meses o años en desarrollarse, lo que complica los estudios longitudinales de la etiología y la fisiopatología de la enfermedad. Se necesitan modelos renales avanzados para mejorar nuestra comprensión de los mecanismos de la enfermedad y mejorar la predicción de la nefrotoxicidad en el desarrollo de fármacos. Las células epiteliales de los túbulos proximales (PTEC) en el riñón desempeñan un papel fundamental en la eliminación de xenobióticos y toxinas, así como en la reabsorción de nutrientes esenciales. Hemos demostrado previamente que las plataformas tridimensionales (3D) del sistema microfisiológico (MPS), pobladas con PTEC primarios aislados, se pueden utilizar para investigar las interacciones renales con los fármacos, evaluar la nefrotoxicidad de los compuestos y predecir la eliminación de los fármacos. Aquí, presentamos protocolos para aislar y cultivar PTECs primarios de riñones humanos completos y para sembrarlos en una plataforma MPS 3D que imita la fisiología renal in vivo . Este protocolo permite realizar estudios a largo plazo que respalden la viabilidad de PTEC, la morfología fisiológica y la polarización funcional de las proteínas transportadoras clave en dispositivos MPS durante un máximo de 6 meses.
El riñón desempeña un papel fundamental en la eliminación de una amplia gama de xenobióticos, toxinas y compuestos endógenos del cuerpo. Esto se logra filtrando la sangre para eliminar los productos de desecho y regulando el equilibrio electrolítico, los niveles de líquidos y el pH. Cada riñón humano contiene alrededor de un millón de nefronas, las unidades estructurales y funcionales del riñón. Dentro de estas nefronas, las células epiteliales especializadas en los túbulos proximales, conocidas como células epiteliales de los túbulos proximales (PTEC), son responsables de reabsorber moléculas esenciales como la glucosa, los aminoácidos y los iones, así como de secretar sustratos de fármacos y sustancias potencialmente tóxicas en la orina 2,3,4. En algunos casos, los PTEC también pueden reabsorber compuestos de la orina de vueltaal torrente sanguíneo. Debido a su papel crítico en las interacciones entre fármacos y toxinas, los PTEC primarios aislados de riñones humanos proporcionan una valiosa herramienta para estudiar las interacciones renales entre fármacos (DDI) y evaluar la nefrotoxicidad de los compuestos.
La nefrotoxicidad inducida por fármacos plantea un importante desafío clínico, ya que puede conducir a una lesión renal aguda y a una enfermedad renal crónica5. Por lo tanto, una comprensión más profunda de la fisiología del túbulo proximal renal es esencial para predecir y caracterizar con precisión el potencial nefrotóxico de los fármacos y las toxinas. Los modelos in vitro tradicionales, incluidas las líneas celulares renales inmortalizadas (por ejemplo, RPTEC-TERT1, HK-2), tienen limitaciones para imitar la compleja estructura y función de los túbulos proximales humanos6, que operan bajo flujo laminar dinámico (con un número de Reynolds bajo) y una matriz extracelular (MEC) uniforme in vivo 7,8. Además, los modelos bidimensionales (2D) tradicionales a menudo fallan en expresar funcionalmente los principales transportadores renales (por ejemplo, transportador de aniones orgánicos 1 y 3 (OAT1 y OAT3), transportador de cationes orgánicos 2 (OCT2)) debido a la rápida degradación e internalización de estas proteínas 6,9,10,11 . Los modelos animales, si bien son informativos, pueden no replicar completamente la fisiología renal humana y, a menudo, carecen de traducibilidad debido a las diferencias de las especies en la expresión y actividad de los transportadores12. Por ejemplo, mOct1 se expresa basolateralmente en los PTEC de ratón, mientras que en los humanos, la expresión de la proteína de membrana de OCT1 en el riñón es indetectable13,14.
Los avances en los sistemas microfisiológicos (MPS) y las tecnologías de órganos en un chip han permitido a los investigadores desarrollar modelos in vitro que imitan de cerca la arquitectura tridimensional (3D) y las condicionesdinámicas de flujo de fluidos de los órganos humanos. Nuestro grupo ha caracterizado previamente dos modelos de MPS con PTECs16,17, y ha utilizado estos modelos para realizar estudios de toxicidad 18,19,20 y predecir con precisión la disposición del fármaco21. El uso de PTECs primarios en estos modelos proporciona ventajas significativas debido a su capacidad para retener las características funcionales observadas in vivo.
Aquí, presentamos los protocolos para el aislamiento de PTECs humanos de un riñón humano intacto obtenido de un donante fallecido a través de una organización de procuración de órganos aprobada por la United Network for Organ Sharing (UNOS) y la aplicación de estos PTECs humanos cultivados dentro de una plataforma MPS.
Todo el trabajo se llevó a cabo de acuerdo con las pautas de manejo de tejidos humanos de la Universidad de Washington. Los donantes adecuados cumplen con los siguientes requisitos: menos de 36 h de tiempo de isquemia fría (CIT), sin antecedentes conocidos de enfermedades renales, diálisis o cualquier otra condición médica (por ejemplo, diabetes mellitus tipo 1 o 2, hepatitis B, hepatitis C, virus de inmunodeficiencia humana (VIH), meningitis viral/bacteriana, infección por Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, sífilis, sepsis o Covid-19). Los riñones humanos completos utilizados en este estudio se obtuvieron a través de una OPO aprobada por UNOS.
1. Preparación de la cabina de bioseguridad
2. Preparación del preprocesamiento del riñón
3. Aislamiento de PTECs de todo el riñón
4. Cambios en los medios de comunicación
5. Pasar los PTEC
6. Criopreservación de PTECs
7. Descongelación de PTEC
8. Recubrimiento del dispositivo MPS con matriz de colágeno tipo I
9. Creación de un lumen tubular con colágeno tipo IV como ECM en un dispositivo MPS
10. Siembra de PTEC primarios en un dispositivo MPS
Morfología y confluencia de PTECs primarias aisladas a lo largo del tiempo en cultivo 2D
Tras el aislamiento de la corteza renal, se permitió que las PTEC crecieran sin perturbaciones durante al menos 48 horas antes del primer cambio de medio. Aproximadamente una semana después del cultivo de las células, deberían aparecer pequeños lotes de PTECs en todo el matraz de cultivo con una morfología epitelial uniforme, similar a un adoquín (Figu...
Las tecnologías MPS, o de órganos en un chip, ofrecen una plataforma in vitro muy relevante para recapitular aspectos clave de la fisiología humana, reduciendo así la dependencia de modelos animales en el desarrollo de fármacos y evaluaciones toxicológicas. Recientemente, la Ley de Modernización de la FDA 2.0 (2022) ha permitido la inclusión de MPS, entre otras alternativas, en las solicitudes de nuevos medicamentos en investigación29. Este proto...
Los autores declaran que no tienen conflictos de intereses ni divulgaciones financieras relevantes para este estudio.
Partes de este trabajo fueron apoyadas por el contrato de la NASA 80ARC023CA001, el Centro Nacional para el Avance de las Ciencias Traslacionales (NCATS) (U2CTR004867, UH3TR000504, UG3TR002158), conjuntamente por el NCATS y el Centro para el Avance de la Ciencia en el Espacio (CASIS) (UG3TR002178), el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) (P30ES00703), el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales (T32GM007750), una donación sin restricciones de los Centros del Riñón del Noroeste a la Investigación del Riñón y la Facultad de Farmacia de la Universidad de Washington (Premio Ji-Ping Wang y Beca Bradley).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL Luer-Lok Tip Syringes | Becton, Dickinson | 309628 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | CELLTREAT Scientific Products | 229442 | |
15 mL sterile conical polypropylene tube | Fisher Scientific | 14-959-53A | |
3D microphysiological Device | Nortis | TCC-001 | |
5 mL Luer-Lok Tip Syringes | Becton, Dickinson | 309646 | |
50 mL sterile conical polypropylene tube | Fisher Scientific | 12-565-271 | |
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
Collagenase, Type IV, powder | ThermoFisher Scientific | 17104019 | |
D-(+)-Glucose | MilliporeSigma | G8270 | |
Defined Trypsin Inhibitor | ThermoFisher Scientific | R007100 | |
Dimethyl sulfoxide, Bioreagent, Thermo Scientific Chemicals | ThermoFisher Scientific | J66650-AK | |
Dispase II, powder | ThermoFisher Scientific | 17105041 | |
Dulbecco’s MEM (DMEM)/F-12 w/o Glucose | US Biological Life Sciences | D9807-02 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS), calcium, magnesium | ThermoFisher Scientific | 14040117 | |
Fetal Bovine Serum (FBS), Premium | ThermoFisher Scientific | A5670701 | |
Finnpipette F2 Good Laboratory Pipetting (GLP) Kits | ThermoFisher Scientific | 05-719-511 | Micropipettes |
Fisherbrand SureOne Micropoint Pipette Tips, Universal Fit, Non-Filtered | Fisher Scientific | 02707407, 02707410, 02707438 | |
Fresh whole human kidney | Novabiosis | https://www.novabiosis.com/research-organ-allocation-services/ | Human kidneys were obtained through Novabiosis, a UNOS-approved OPO |
Humidified incubator (37 °C and 5% CO2) | Fisher Scientific | 51033556 | |
Hydrocortisone | MilliporeSigma | H0888 | |
Incubating Orbital Shaker | Avantor | 12620-946 | |
Insulin-Transferrin-Selenium (100X) (ITS -G) | ThermoFisher Scientific | 41400045 | |
Internal Thread Cryogenic Vials | Corning | 430487 | |
Kimtech Science Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34120 | |
Luer Stubs (Blunt needle), 22 G x 0.5 inches | Instech Laboratories, Inc. | LS22 | |
Medium 199, Earle's Salts (10x) | ThermoFisher Scientific | 21180021 | |
Megafuge 8 Small Benchtop Centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75007210 | |
Metal Coupler (blunt) | Instech Laboratories, Inc. | SC 20/15 | |
Mr. Frosty Freezing Container | ThermoFisher Scientific | 5100-0036 | |
Nikon Eclipse Ti-S Microscope | Nikon Instruments | https://www.thelabworldgroup.com/product/nikon-eclipse-ti-fluorescent-microscope/ | Original model discontinued |
Nunc Non-treated Flasks, T-25 | ThermoFisher Scientific | 169900 | |
Nunc Non-treated Flasks, T-75 | ThermoFisher Scientific | 156800 | |
Pipette, 10 mL, Graduated, 1/10 mL, Sterile | Greiner Bio-One | 607180 | |
Silicon tubing, C-flex tubing, (ID: 0.020", OD: 0.083") | Cole-Parmer | 06422-00 | |
Single edge razor blade (sterile) | Bioseal | KI-205/50 | |
Sodium Bicarbonate | MilliporeSigma | S6297 | |
Sodium Hydroxide | MilliporeSigma | S8045 | |
Sterile Disposable Filter Units with PES Membranes | ThermoFisher Scientific | 567-0020 | |
Tissue Culture Treated Dishes, 150 mm x 20 mm Vented | Genesee Scientific | 25-203 | |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 25300054 | |
Type I collagen, rat tail | Corning | 354236 | |
Type IV Collagen, Mouse | Corning | 354233 |
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