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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Apresentamos um protocolo otimizado para o processamento de rins humanos inteiros para isolar e cultivar células epiteliais primárias do túbulo proximal renal e a aplicação dessas células em uma plataforma microfluídica tridimensional e microfisiológica para recapitular o túbulo proximal renal.
A doença renal afeta mais de 850 milhões de pessoas em todo o mundo, incluindo 37 milhões de americanos. Os fatores de risco para doença renal crônica incluem influências ambientais, predisposições genéticas, condições médicas coexistentes e história de lesão renal aguda. Esses fatores geralmente levam meses ou anos para se desenvolver, complicando os estudos longitudinais de etiologia e fisiopatologia da doença. Modelos renais avançados são necessários para melhorar nossa compreensão dos mecanismos da doença e melhorar a previsão de nefrotoxicidade no desenvolvimento de medicamentos. As células epiteliais do túbulo proximal (PTECs) no rim desempenham um papel crítico na depuração de xenobióticos e toxinas, bem como na reabsorção de nutrientes essenciais. Demonstramos anteriormente que plataformas de sistema microfisiológico (MPS) tridimensionais (3D), preenchidas com PTECs primários isolados, podem ser usadas para investigar interações medicamentosas renais, avaliar a nefrotoxicidade de compostos e prever a depuração de medicamentos. Aqui, apresentamos protocolos para isolar e cultivar PTECs primários de rins humanos inteiros e para semeá-los em uma plataforma MPS 3D que imita a fisiologia renal in vivo . Este protocolo permite estudos de longo prazo que apoiam a viabilidade do PTEC, morfologia fisiológica e polarização funcional das principais proteínas transportadoras em dispositivos MPS por até 6 meses.
O rim desempenha um papel crítico na depuração e eliminação de uma ampla gama de xenobióticos, toxinas e compostos endógenos do corpo. Isso é conseguido filtrando o sangue para remover resíduos e regulando o equilíbrio eletrolítico, os níveis de fluidos e o pH. Cada rim humano contém cerca de um milhão de néfrons, as unidades estruturais e funcionais do rim1. Dentro desses néfrons, células epiteliais especializadas nos túbulos proximais, conhecidas como células epiteliais do túbulo proximal (PTECs), são responsáveis pela reabsorção de moléculas essenciais, como glicose, aminoácidos e íons, bem como pela secreção de substratos de drogas e substâncias potencialmente tóxicas na urina 2,3,4. Em alguns casos, os PTECs também podem reabsorver compostos da urina de volta para a corrente sanguínea4. Devido ao seu papel crítico nas interações medicamentosas e toxinas, os PTECs primários isolados de rins humanos fornecem uma ferramenta valiosa para estudar as interações medicamentosas renais (DDIs) e avaliar a nefrotoxicidade dos compostos.
A nefrotoxicidade induzida por drogas representa um desafio clínico significativo, pois pode levar a lesão renal aguda e doença renal crônica5. Portanto, uma compreensão mais profunda da fisiologia do túbulo proximal renal é essencial para prever e caracterizar com precisão o potencial nefrotóxico de drogas e toxinas. Modelos in vitro tradicionais, incluindo linhagens de células renais imortalizadas (por exemplo, RPTEC-TERT1, HK-2), têm limitações em mimetizar a estrutura complexa e a função dos túbulos proximais humanos6, que operam sob fluxo laminar dinâmico (com baixo número de Reynolds) e uma matriz extracelular (MEC) uniforme in vivo 7,8. Além disso, os modelos bidimensionais (2D) tradicionais muitas vezes falham em expressar funcionalmente os principais transportadores renais (por exemplo, transportador de ânions orgânicos 1 e 3 (OAT1 e OAT3), transportador de cátions orgânicos 2 (OCT2)) devido à rápida degradação e internalização dessas proteínas 6,9,10,11 . Os modelos animais, embora informativos, podem não replicar totalmente a fisiologia renal humana e muitas vezes carecem de traduzibilidade devido às diferenças de espécies na expressão e atividade do transportador12. Por exemplo, mOct1 é expresso basolateralmente em PTECs de camundongos, enquanto em humanos, a expressão da proteína de membrana de OCT1 no rim é indetectável 13,14.
Os avanços nos sistemas microfisiológicos (MPS) e nas tecnologias de órgãos em um chip permitiram que os pesquisadores desenvolvessem modelos in vitro que imitam de perto a arquitetura tridimensional (3D) e as condições dinâmicas de fluxo de fluidos dos órgãos humanos15. Nosso grupo caracterizou anteriormente dois modelos de MPS com PTECs16,17 e utilizou esses modelos para conduzir estudos de toxicidade 18,19,20 e prever a disposição do medicamentocom precisão 21. O uso de PTECs primários nesses modelos oferece vantagens significativas devido à sua capacidade de reter características funcionais observadas in vivo.
Aqui, apresentamos os protocolos para o isolamento de PTECs humanos de um rim humano intacto obtido de um doador falecido por meio de uma organização de aquisição de órgãos aprovada pela United Network for Organ Sharing (UNOS) e aplicando esses PTECs humanos cultivados em uma plataforma MPS.
Todo o trabalho foi conduzido em conformidade com as diretrizes de manuseio de tecidos humanos da Universidade de Washington. Os doadores adequados atendem aos seguintes requisitos: menos de 36 h de tempo isquêmico frio (CIT), sem histórico conhecido de doenças renais, diálise ou quaisquer outras condições médicas (por exemplo, diabetes mellitus tipo 1 ou 2, hepatite B, hepatite C, vírus da imunodeficiência humana (HIV), meningite viral/bacteriana, infecção por Staphylococcus aureus resistente à meticilina, sífilis, sepse ou Covid-19). Todos os rins humanos usados neste estudo foram obtidos por meio de um OPO aprovado pela UNOS.
1. Preparação do gabinete de biossegurança
2. Preparação de pré-processamento renal
3. Isolamento de PTECs de todo o rim
4. Mudanças de mídia
5. PTECs de passagem
6. PTECs de criopreservação
7. Descongelamento de PTECs
8. Revestindo o dispositivo MPS com matriz de colágeno tipo I
9. Criando um lúmen tubular com colágeno tipo IV como ECM em um dispositivo MPS
10. Semeando PTECs primários em um dispositivo MPS
Morfologia e confluência de PTECs primários isolados ao longo do tempo em cultura 2D
Após o isolamento do córtex renal, os PTECs cresceram sem perturbações por pelo menos 48 h antes da primeira mudança de meio. Aproximadamente uma semana após a cultura das células, pequenos lotes de PTECs devem aparecer em todo o frasco de cultura com uma morfologia epitelial uniforme, semelhante a paralelepípedos (Figura 1A, B)...
MPS, ou tecnologias organ-on-a-chip, oferecem uma plataforma in vitro altamente relevante para recapitular aspectos-chave da fisiologia humana, reduzindo assim a dependência de modelos animais no desenvolvimento de medicamentos e avaliações toxicológicas. Recentemente, a Lei de Modernização 2.0 da FDA (2022) permitiu a inclusão de MPS, entre outras alternativas, em aplicações de Novos Medicamentos Investigacionais29. Este protocolo detalha um pro...
Os autores declaram que não têm conflitos de interesse ou divulgações financeiras relevantes para este estudo.
Partes deste trabalho foram apoiadas pelo contrato da NASA 80ARC023CA001, o Centro Nacional para o Avanço das Ciências Translacionais (NCATS) (U2CTR004867, UH3TR000504, UG3TR002158), em conjunto pelo NCATS e o Centro para o Avanço da Ciência no Espaço (CASIS) (UG3TR002178), o Instituto Nacional de Ciências da Saúde Ambiental (NIEHS) (P30ES00703), o Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (T32GM007750), um presente irrestrito dos Centros Renais do Noroeste para a Pesquisa Renal e a Escola de Farmácia da Universidade de Washington (Prêmio Ji-Ping Wang e Bradley Fellowship).
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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