Riassorbimento renale nei dispositivi viventi. I tubuli prossimali vascolarizzati tridimensionati in 3D simulano le funzioni di riassorbimento del rene umano.
(CAMBRIDGE, Mass.) – Ogni giorno i nostri reni affrontano il difficile compito di pulire continuamente il sangue per evitare che residui, sale e liquidi in eccesso si accumulino all’interno dell’organismo. Per raggiungere questo obiettivo, circa un milione di unità di filtrazione (glomeruli) rimuovono prima i prodotti di scarto e i preziosi nutrienti dal flusso sanguigno, quindi strutture specializzate note come tubuli prossimali riassorbono le molecole “buone” facendole ritornare nel nostro sangue. Mentre le funzioni riassorbibili del tubulo prossimale possono essere compromesse da farmaci, sostanze chimiche o malattie genetiche e trasmesse dal sangue, la nostra comprensione di come si verificano questi effetti è ancora limitata.
Per consentire lo studio del riassorbimento renale al di fuori del corpo umano, Jennifer Lewis, Sc.D., membro del Wyss Institute Core Faculty, e il suo team che lavorano all’interno della 3D Organ Engineering Initiative del Wyss Institute che lo co-guida, e in collaborazione con il Roche Innovation Center di Basilea in Svizzera, hanno creato un modello tubulare prossimale vascolarizzato 3D in cui tubuli e vasi sanguigni indipendenti perfusabili sono stampati l’uno accanto all’altro all’interno di una matrice extracellulare ingegnerizzata. Questo lavoro si basa su un modello tubulare prossimale perfuso in continuo 3D riportato in precedenza dal team che mancava ancora di un compartimento funzionale dei vasi sanguigni. Usando il dispositivo di nuova generazione, il team ha misurato il trasporto del glucosio dal tubulo prossimale ai vasi sanguigni, insieme agli effetti dell’iperglicemia, una condizione associata al diabete nei pazienti. Il loro studio è pubblicato su Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).
Lewis è anche Hansjörg Wyss Professor di Biologically Inspired Engineering presso Harvard John A. Paulson School of Engineering e Applied Science (SEAS), Jianmin Yu Professor of Arts and Sciences e membro dell’Harvard Stem Cell Institute.
“Costruiamo questi dispositivi renali viventi in pochi giorni e possono rimanere stabili e funzionali per mesi”, ha detto Neil Lin, Ph.D., primo autore Neil Lin, che è un Fellow Roche e postdottorato nella squadra di Lewis. “È importante sottolineare che questi tubuli prossimali vascolarizzati in 3D mostrano le morfologie e le architetture luminali epiteliali ed endoteliali desiderate, nonché l’espressione e la corretta localizzazione di proteine ??strutturali e di trasporto chiave, e fattori che consentono ai compartimenti tubulari e vascolari per comunicare tra loro. ”
Come primo passo verso la sperimentazione di farmaci e la modellazione delle malattie, il team ha indotto “iperglicemia“, una condizione di elevato glucosio tipica del diabete e un noto fattore di rischio per la malattia vascolare, nel loro modello facendo circolare una concentrazione quadruplicata superiore al normale di glucosio attraverso il compartimento tubulo prossimale. “Abbiamo scoperto che gli alti livelli di glucosio trasportati alle cellule endoteliali nel compartimento vascolare causavano danni alle cellule”, ha affermato Kimberly Homan, Ph.D., coautore dello studio e ricercatore associato nel gruppo di Lewis al Wyss Institute e SEAS . “Facendo circolare un farmaco attraverso il tubulo che inibisce specificamente un importante trasportatore di glucosio nelle cellule epiteliali dei tubuli prossimali, abbiamo impedito che tali cambiamenti dannosi accadessero alle cellule endoteliali nei vasi adiacenti.”
L’obiettivo immediato del team è di aumentare ulteriormente questi modelli per l’uso in applicazioni farmaceutiche. “Il nostro sistema potrebbe consentire lo screening di librerie di farmaci mirate per la tossicità renale e quindi contribuire a ridurre gli esperimenti sugli animali”, ha detto Annie Moisan, Ph.D., co-autore e collaboratrice del settore sullo studio, e Principal Scientist al Roche Innovation Center Basel. “Sono entusiasta degli sforzi continui da parte nostra e di altri per aumentare la rilevanza fisiologica di tali modelli, ad esempio incorporando cellule specifiche del paziente e malate, dal momento che l’efficacia e la sicurezza personalizzate sono gli obiettivi finali della previsione delle risposte cliniche ai farmaci”.
“Il nostro nuovo modello di reni 3D è un entusiasmante progresso in quanto ricapitola più pienamente i segmenti dei tubuli prossimali che si trovano nel tessuto renale nativo”, ha affermato Lewis. “Oltre alle sue applicazioni immediate per lo screening dei farmaci e la modellazione delle malattie, stiamo anche valutando se questi dispositivi viventi possano essere utilizzati per aumentare la dialisi renale.” Attualmente, le macchine per la dialisi salvavita filtrano il sangue, ma non sono in grado di recuperare preziose sostanze nutritive e altre specie dal filtrato di cui il corpo ha bisogno per molte delle sue funzioni, il che può causare carenze e complicazioni specifiche lungo la linea. Lewis e i suoi colleghi ritengono che i tubuli vascolarizzati tridimensionali in 3D possano portare a terapie di sostituzione renale migliorate.
“Questo studio presenta un significativo passo in avanti nell’ingegneria dei reni umani, che consente di effettuare in vitro studi sulle malattie umane e correlati alla droga e rappresenta anche un importante passo in avanti per la 3D Organ Engineering Initiative dell’Istituto Wyss, che mira a generare sostituzioni funzionali dell’organo con funzionalità potenziate per i pazienti in stato di bisogno “, ha detto il fondatore del Wyss Institute Donald Ingber, MD, Ph.D., che è anche il professore di biologia vascolare presso HMS e il programma di biologia vascolare presso Boston Children’s Ospedale, nonché professore di Bioingegneria al SEAS.