Nierenfunktion erfolgreich in Zellkultur modelliert

3D-Darstellung menschlicher Nieren mit Querschnitt

Wissenschaftlern ist in der Nierenforschung ein bemerkenswerter Durchbruch gelungen. In einem in der Fachzeitschrift Communications Biology veröffentlichten Artikel stellt ein Forscherteam der Universität Kyoto unter der Leitung von Ramin Sadeghian einen innovativen Ansatz zum Bau von Miniaturnierenmodellen vor, die der Struktur und Funktion menschlicher Nieren in Originalgröße sehr ähnlich sind.

Die Miniatur-Nierenmodelle kombinieren zwei gängige Ansätze zur Modellierung menschlicher Organe: Organoide und mikrofluidische Chips. Durch die Kombination dieser Ansätze konnten die Forscher die Genauigkeit ihres Nierenmodells verbessern und stellten damit einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zur Schaffung von Miniaturnieren dar, die für die medizinische Forschung und Arzneimittelentwicklung verwendet werden könnten.

Was sind Organoide?

Organoide werden aus Stammzellen hergestellt. Stammzellen sind insofern einzigartig, als sie die bemerkenswerte Fähigkeit besitzen, sich zu nahezu jedem Zelltyp zu entwickeln. Wenn diese Zellen mit den richtigen Umwelt- und chemischen Signalen versorgt werden, können sie dazu gebracht werden, miteinander zu interagieren und menschliches Gewebe zu bilden, einschließlich Gewebe, aus dem unsere lebenswichtigen Organe wie die Nieren bestehen.

Das von den Forschern der Universität Kyoto vorgestellte Modell überwindet frühere Schwierigkeiten in der Nierenorganoidforschung, indem es ein genaueres Modell einer Struktur namens proximaler Tubulus einbezieht. Der proximale Tubulus ist ein wichtiger Ort der Nährstoffaufnahme und Abfallbeseitigung in den Nieren.

Die Vorteile mikrofluidischer Chips

Ein alternativer Ansatz zur Modellierung von Organen ist die Verwendung mikrofluidischer Chips. Mikrofluidische Chips bestehen aus Materialien wie Glas und Silizium, in die mikroskopisch kleine Kanäle eingraviert sind. Diese mikroskopisch kleinen Kanäle enthalten kleine Mengen an Flüssigkeit. Dies ermöglicht Forschern eine bessere Kontrolle über die Umgebung, in der Zellen wachsen, indem sie den Druck und den Flüssigkeitsfluss in den Kanälen einfach manipulieren.

Abbildung 1: Mikrofluidische Chips sind Materialien mit mikroskopisch kleinen Kanälen, die in ihre Oberfläche eingraviert sind.

Proximale Tubuluszellen wurden erzeugt und direkt in Mikrofluidik-Chips als Modell der Nieren verwendet. Allerdings sind diese Modelle nicht die genauesten, da sie viele der komplexen zellulären Wechselwirkungen zwischen proximalen Tubuluszellen und anderen Nierenzellen nicht abbilden.

Ein kombinierter Ansatz

Die Forscher der Universität Kyoto spekulierten, dass sie durch die Kombination von Organoiden und mikrofluidischen Chips die Funktion des proximalen Tubulus modellieren und gleichzeitig wichtige zelluläre Interaktionen einbeziehen könnten, die in früheren Modellen übersehen wurden.

Um den Prozess einzuleiten, wurden Stammzellen durch eine Reihe präziser chemischer und umweltbedingter Manipulationen dazu gebracht, grundlegende Nierenorganoide zu bilden. Nachdem sie die Nierenorganoide reifen ließen, fügten die Forscher ihren Organoiden fluoreszierende Biomarker hinzu, um zu bestätigen, dass die Miniaturnieren die richtige Zusammensetzung der Nierenzelltypen enthielten. Durch diesen Schritt konnten sie auch feststellen, dass die Organoide zu etwa 20–30 % aus proximalen Tubuluszellen bestanden.

Abbildung 2: Nierenorganoidwachstum nach 22 Tagen.

Von dort aus zerlegte das Team das Organoid und trennte die proximalen Tubuluszellen ab. Die Forscher hofften, dass sich die Zellen weiterhin so verhalten würden, wie sie es taten, wenn sie mit anderen Nierenzelltypen kultiviert wurden, indem sie es den proximalen Tubuluszellen ermöglichten, zunächst in einer organoiden Umgebung zu wachsen und sie dann auf einen Mikrofluidik-Chip zu übertragen. Dies würde zu einem genaueren Modell des „proximalen Tubulus auf einem Chip“ führen.

Nach der Kultivierung der proximalen Tubuluszellen in einem Mikrofluidik-Chip stellten die Forscher fest, dass die Zellen begannen, sich innerhalb der Kanäle des Mikrofluidik-Chips zu winzigen Kugeln zu aggregieren. Trotz dieses Verhaltens bestätigten fluoreszierende Färbungen, dass die Kugeln immer noch reichlich proximale Tubulusproteine ​​enthielten, was darauf hindeutet, dass sich die Zellen innerhalb des Chips erfolgreich entwickelten.

Abbildung 3: Proximale Tubuluszellen bildeten Kugeln innerhalb der Mikrofluidikkanäle.

Um die proximalen Tubuluszellen dazu zu bringen, eine Schicht Nierengewebe innerhalb des Mikrofluidikchips zu bilden, fügten die Forscher ihrer Kultur einen sekundären Zelltyp hinzu. Bei diesen Zellen handelte es sich um immortalisierte Epithelzellen des proximalen Nierentubulus.

Immortalisierte Zellen wurden so mutiert, dass sie sich unbegrenzt weiter teilen und neue Zellen produzieren. Epithelzellen bilden die Oberfläche des Nierengewebes. Sobald diese Zellen zusammen mit den proximalen Tubuluszellen kultiviert wurden, flachte das resultierende Gewebe innerhalb des Chips ab und bildete Modellnierengewebe, das für Experimente verwendet werden konnte.

Mehrere Tests ergaben, dass das Modellnierengewebe Proteine ​​produzierte, die mit echten menschlichen Nierenzellen übereinstimmten. Darüber hinaus verfügte die Modellniere über eine größere Filterkapazität als frühere Modelle.

Um schließlich die Umgebung des menschlichen Körpers zu simulieren, bewertete das Team, wie sich ihre Modellniere verhielt, wenn sie in einer dynamischen Flüssigkeitsumgebung platziert wurde. Die Forscher verwendeten eine Pumpe, um Flüssigkeiten pulsierend durch das Mikrofluidikgerät zu drücken – ähnlich wie der menschliche Körper Flüssigkeiten durch die Niere pumpt. Wie erwartet verbesserte die dynamische Flüssigkeitsumgebung die Struktur und Funktion der Zellen im Modell.

Dieses Papier stellt einen bedeutenden Meilenstein in der Nierenforschung dar. Durch die Integration immortalisierter Zellen mit Nierenorganoiden haben Wissenschaftler Miniaturnierenmodelle erstellt, die die entscheidenden Funktionen des proximalen Tubulus genauer nachbilden. Dieser Fortschritt bietet Möglichkeiten zum Verständnis von Nierenerkrankungen und zur Beschleunigung der Arzneimittelentwicklung. Während Forscher diese bemerkenswerten Miniaturorgane weiter verbessern, können wir eine Zukunft erwarten, in der Nierenerkrankungen besser verstanden und behandelt werden.