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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Presentiamo un protocollo ottimizzato per l'elaborazione di interi reni umani per isolare e coltivare cellule epiteliali del tubulo prossimale renale primario e l'applicazione di queste cellule in una piattaforma microfluidica tridimensionale, microfluidica e microfisiologica per ricapitolare il tubulo prossimale renale.
Le malattie renali colpiscono oltre 850 milioni di persone in tutto il mondo, tra cui 37 milioni di americani. I fattori di rischio per la malattia renale cronica includono influenze ambientali, predisposizioni genetiche, condizioni mediche coesistenti e una storia di danno renale acuto. Questi fattori spesso impiegano mesi o anni per svilupparsi, complicando gli studi longitudinali dell'eziologia e della fisiopatologia della malattia. Sono necessari modelli renali avanzati per migliorare la nostra comprensione dei meccanismi della malattia e migliorare la previsione della nefrotossicità nello sviluppo di farmaci. Le cellule epiteliali dei tubuli prossimali (PTEC) nel rene svolgono un ruolo fondamentale nella clearance degli xenobiotici e delle tossine, nonché nel riassorbimento dei nutrienti essenziali. Abbiamo precedentemente dimostrato che le piattaforme di sistemi microfisiologici (MPS) tridimensionali (3D), popolate con PTEC primari isolati, possono essere utilizzate per studiare le interazioni farmacologiche renali, valutare la nefrotossicità dei composti e prevedere la clearance dei farmaci. Qui presentiamo i protocolli per isolare e coltivare PTEC primari da reni umani interi e per seminarli in una piattaforma MPS 3D che imita la fisiologia renale in vivo . Questo protocollo consente studi a lungo termine a supporto della vitalità di PTEC, della morfologia fisiologica e della polarizzazione funzionale delle principali proteine trasportatrici nei dispositivi MPS per un massimo di 6 mesi.
Il rene svolge un ruolo fondamentale nell'eliminazione e nell'eliminazione di un'ampia gamma di xenobiotici, tossine e composti endogeni dal corpo. Ciò si ottiene filtrando il sangue per rimuovere i prodotti di scarto e regolando l'equilibrio elettrolitico, i livelli di liquidi e il pH. Ogni rene umano contiene circa un milione di nefroni, le unità strutturali e funzionali del rene1. All'interno di questi nefroni, le cellule epiteliali specializzate nei tubuli prossimali, note come cellule epiteliali dei tubuli prossimali (PTEC), sono responsabili del riassorbimento di molecole essenziali come glucosio, aminoacidi e ioni, nonché della secrezione di substrati farmacologici e sostanze potenzialmente tossiche nelle urine 2,3,4. In alcuni casi, i PTEC possono anche riassorbire i composti dall'urina nel flusso sanguigno4. A causa del loro ruolo critico nelle interazioni tra farmaci e tossine, i PTEC primari isolati da reni umani forniscono uno strumento prezioso per lo studio delle interazioni farmacologiche renali (DDI) e per la valutazione della nefrotossicità dei composti.
La nefrotossicità indotta da farmaci rappresenta una sfida clinica significativa, in quanto può portare a danno renale acuto e malattia renale cronica5. Pertanto, una comprensione più approfondita della fisiologia del tubulo prossimale renale è essenziale per prevedere e caratterizzare con precisione il potenziale nefrotossico di farmaci e tossine. I modelli tradizionali in vitro, comprese le linee cellulari renali immortalizzate (ad esempio, RPTEC-TERT1, HK-2), hanno limitazioni nell'imitare la complessa struttura e funzione dei tubuli prossimali umani6, che operano in presenza di un flusso laminare dinamico (con un basso numero di Reynolds) e di una matrice extracellulare uniforme (ECM) in vivo 7,8. Inoltre, i tradizionali modelli bidimensionali (2D) spesso non riescono ad esprimere funzionalmente i principali trasportatori renali (ad esempio, il trasportatore di anioni organici 1 e 3 (OAT1 e OAT3), il trasportatore di cationi organici 2 (OCT2)) a causa della rapida degradazione e internalizzazione di queste proteine 6,9,10,11 . I modelli animali, sebbene informativi, potrebbero non replicare completamente la fisiologia renale umana e spesso mancano di traducibilità a causa delle differenze di specie nell'espressione e nell'attività del trasportatore12. Ad esempio, mOct1 è espresso basolateralmente nei PTEC di topo, mentre nell'uomo, l'espressione proteica di membrana di OCT1 nel rene non è rilevabile13,14.
I progressi nei sistemi microfisiologici (MPS) e nelle tecnologie organ-on-a-chip hanno permesso ai ricercatori di sviluppare modelli in vitro che imitano da vicino l'architettura tridimensionale (3D) e le condizioni di flusso dinamico dei fluidi degli organi umani15. Il nostro gruppo ha precedentemente caratterizzato due modelli di MPS con PTEC16,17 e ha utilizzato questi modelli per condurre studi di tossicità 18,19,20 e prevedere con precisione la disposizione dei farmaci21. L'uso di PTEC primari in questi modelli offre vantaggi significativi grazie alla loro capacità di mantenere le caratteristiche funzionali osservate in vivo.
Qui, presentiamo i protocolli per l'isolamento dei PTEC umani da un rene umano intatto ottenuto da un donatore deceduto tramite un'organizzazione di approvvigionamento di organi approvata dalla United Network for Organ Sharing (UNOS) e l'applicazione di questi PTEC umani in coltura all'interno di una piattaforma MPS.
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Tutto il lavoro è stato condotto in conformità con le linee guida per la manipolazione dei tessuti umani dell'Università di Washington. I donatori idonei soddisfano i seguenti requisiti: meno di 36 ore di tempo ischemico freddo (CIT), nessuna storia nota di malattie renali, dialisi o altre condizioni mediche (ad esempio, diabete mellito di tipo 1 o 2, epatite B, epatite C, virus dell'immunodeficienza umana (HIV), meningite virale/batterica, infezione da Staphylococcus aureus resistente alla meticillina, sifilide, sepsi o Covid-19). L'intero rene umano utilizzato in questo studio è stato acquistato attraverso un OPO approvato dall'UNOS.
1. Preparazione della cabina di biosicurezza
2. Preparazione alla pre-elaborazione del rene
3. Isolamento dei PTEC dall'intero rene
4. Modifiche ai media
5. Superamento dei PTEC
6. PTEC crioconservanti
7. Scongelamento dei PTEC
8. Rivestimento del dispositivo MPS con matrice di collagene di tipo I
9. Creazione di un lume tubulare con collagene di tipo IV come ECM in un dispositivo MPS
10. Seeding dei PTEC primari in un dispositivo MPS
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Morfologia e confluenza di PTEC primari isolati nel tempo in coltura 2D
Dopo l'isolamento dalla corteccia renale, i PTEC sono stati lasciati crescere indisturbati per almeno 48 ore prima del primo cambio di media. Circa una settimana dopo la coltura delle cellule, piccoli lotti di PTEC dovrebbero apparire in tutto il pallone di coltura con una morfologia epiteliale uniforme, simile a un ciottolo (Figura 1A, B). A seconda ...
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Le MPS, o tecnologie organ-on-a-chip, offrono una piattaforma in vitro altamente rilevante per ricapitolare aspetti chiave della fisiologia umana, riducendo così la dipendenza da modelli animali nello sviluppo di farmaci e nelle valutazioni tossicologiche. Recentemente, l'FDA Modernization Act 2.0 (2022) ha consentito l'inclusione delle MPS, tra le altre alternative, nelle domande di nuovi farmaci sperimentali29. Questo protocollo descrive in dettaglio u...
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Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse o divulgazioni finanziarie rilevanti per questo studio.
Parti di questo lavoro sono state supportate dal contratto 80ARC023CA001 della NASA, dal National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) (U2CTR004867, UH3TR000504, UG3TR002158), congiuntamente dal NCATS e dal Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) (UG3TR002178), dal National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) (P30ES00703), dal National Institute of General Medical Sciences (T32GM007750), da una donazione illimitata da parte dei Northwest Kidney Centers alla ricerca sui reni e la Scuola di Farmacia dell'Università di Washington (Ji-Ping Wang Award e Bradley Fellowship).
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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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