Uued pilditööriistad nefroniarvu in vivo mõõtmiseks: arengu nefroloogia võimalused

Lisateabe saamiseks. kontaktitina.xiang@wecistanche.com

Abstraktne

Imetajaneerudon keeruline organ, mis nõuab kuni miljonite nefronite kooskõlastatud funktsiooni. Nefronite arv on pärast nefrogeneesi arengu ajal konstantne ja nefronite kadu eluea jooksul võib põhjustada vastuvõtlikkust ägeda võikrooniline neeruhaigus. Arendatakse uusi tehnoloogiaid üksikute nefronite loendamiseks neerudes in vivo. Selles ülevaates kirjeldatakse neid tehnoloogiaid ja rõhutatakse nende olulisust inimese neerude arengu ja haiguste uuringutes.

Herba cistanchesi kasutamise kohta lisateabe saamiseks klõpsake siin

Sissejuhatus

Imetaja neer on keeruline organ, mis on arenenud kontrollima paljusid füsioloogilisi protsesse. Need protsessid hõlmavad veremahtu, vererõhku, osmootset rõhku, jäätmete eemaldamist ja metaboliitide homöostaasi. Neerude normaalseks arenguks on vajalik kusejuha ja metanefrilise mesenhüümi vastastikune moodustumine. Sellele järgneb iteratiivne hargnemisprotsess ja signaalide kaskaad, et säilitada taastuv eellasrakkude kogum, mis toodavad diferentseerunud rakke, mis täidavad neerude erinevaid funktsioone.

Nefrogeneesi kestus ja lõpp on liigiti erinev. Inimestel ja ahvilistel toimub sünd ja inimese nefrogeneesi lõpp sarnastel ajahetkedel; Nefrogenees lõpeb inimestel umbes 35. rasedusnädalal. Liigid, mis toovad järglasi, on sageli erineva sünnijärgse nefrogeneesi perioodiga. Kas nefronite arv varieerub olenevalt liigist, tüvest,seksning keskkonna- ja geneetilised tegurid? Inimese nefronite arv on lahkamise käigus tehtud uuringute põhjal väga varieeruv (200,000 kuni 2,7 miljonit). Inimese vastsündinu lahkamisel on täheldatud ka laia valikut nefronite arvu, mis viitab sellele, et see vahemik on kindlaks tehtud nefrogeneesi ajal.

Nefronite arv võib määrata vastuvõtlikkuse paljudele neerupatoloogiatele ja nefroni kadu võib kiirendada kroonilise neeruhaiguse (CKD) arengut. Seetõttu on oluline kaaluda madala nefroniarvu ja -kaotuse põhjuseid ning mõista, miks nii suur nefroniarvu vahemik inimestel säilib. Üha rohkem on tõendeid selle kohta, et ema tervise ja toitumise poolt määratud geneetika ja epigeneetilised tegurid on nefrogeneesi kriitilised tegurid. Loote arengut piirab emalt saadav energia, mida reguleerib platsenta funktsioon. Evolutsiooniline valikusurve, mida juhib reproduktiivsus, on eelistanud aju kasvu loote ja varase postnataalse neerude arengule, kusjuures üle 50 protsendi puhkeoleku metaboolsest kiirusest eraldatakse esimese eluaasta jooksul ajule. Seega põhjustab ema alatoitumine, keskkonnastress või infektsioon emakasisese kasvu piiramise või enneaegse sünnituse ja DNA metüülimise allareguleerimise nefroni eellasrakkudes. Terve neeru arendamiseks vajalikke molekulaarseid mehhanisme on peamiselt uuritud näriliste mudelites. Siiski oli kuni viimase ajani vähe otseseid võrdlusi näriliste ja inimeste neerude arengu vahel.

Nefronite kadu ületatakse tavaliselt ülejäänud nefronite hüpertroofia ja hüperfiltratsiooni kaudu, mida tõendab kogu neeru GFR-i säilitamine. Hüpertroofia on lühiajaline kohanemine metaboolse homöostaasi säilitamiseks paljunemisaastatel. Siiski on adaptiivse hüpertroofia füüsilised piirangud, mida piirab transpordiks vajalik torukujuline pindala ja torukujulise pikkuse suurenemisest tulenev takistus voolule. Sellest piirangust saavad suurimad imetajad (vaalad) üle 100 miljoni nefroni pakendamise väikesteks unipapillaarseteks ühikuteks, mis sisaldavad lühikesi tuubuleid. Peale sigimisaastate soodustab kuhjuvatest stressoritest (isheemia, hüpoksia, infektsioon) põhjustatud raku oksüdatiivsete vigastuste suurenemine jätkuvat nefronikadu, mis kajastub vananemisega, mis kajastub nefronite arvu vähenemises 50% võrra normaalses vananevas elanikkonnas.

Hoolimata meie kasvavast arusaamast neerude arengust ja raseduskeskkonna rollist neerude tervise loomisel, puudub meil endiselt terviklik ülevaade üksikutest nefronitest terve ja toimiva organi kontekstis. Praegused mittekallutatud meetodid glomerulaaride arvu hindamiseks nõuavad neeru hävitamist, piirates nende potentsiaali pikisuunalises analüüsis ja in vivo kasutamisel. Funktsioneerivate nefronite arvu jälgimiseks kogu elutsükli jooksul mitteinvasiivsete kuvamismeetodite väljatöötamine annaks võtmeteavet kroonilise neeruhaiguse progresseerumise prognoosimiseks ja uute sekkumiste tõhususe mõõtmiseks.

Nende probleemide lahendamiseks ja mitteinvasiivsete vahendite pakkumiseks nefroni massi in vivo jälgimiseks ja mõõtmiseks töötatakse välja uusi radioloogilisi tööriistu. See tehnoloogia võib anda uusi teadmisi neerude arengust ja selle rollist haiguse progresseerumisel hilisemas elus. Selle tehnoloogia abil saadaolevad vaatlused hõlmavad nefronite arvu, glomerulaarmahtu ja hüpertroofiat ning võib-olla ka ühe nefroni funktsiooni. See ülevaade kirjeldab selle uue tehnoloogia hetkeseisu ja annab ülevaate selle võimalikest rakendustest prekliinilises teaduses ja kliinilistes uuringutes.

Ex vivo lähenemisviisid nefronite arvu ja glomerulaarde suuruse mõõtmiseks

Kõige laialdasemalt välja töötatud lähenemisviisid nefronite arvu ja glomerulaarde suuruse mõõtmiseks põhinevad disainipõhisel stereoloogial. Kude valmistatakse ette ja lõigatakse mikroskoopiaks ning objektiklaasidel täheldatud struktuuride, näiteks glomerulite, suurusi analüüsitakse, et järeldada struktuuride keskmised mahud algses koes. Seda saab teha väljalõigatud elundites või biopsiakoest, võttes koest süstemaatiliselt ja juhuslikult proove. Dissector-fraktsioneerija tehnika on näidanud populatsioonipõhiseid erinevusi nefronite arvus ja hüperfiltratsioonis inimestel25 ning seda on laialdaselt kasutatud inimeste haiguste loommudelite uurimiseks.

Stereoloogia poolt nõutava jaotuse vältimiseks töötati hiljuti välja uued pildistamismeetodid, et täiendada biopsia andmeid ja mõõta nefronite arvu. Magnetresonantstomograafia (MRI) põhineb enamasti veeprootonite tuvastamisel kudedes, peamiselt veest, kasutades magnetvälju. Objekt või proov asetatakse suure magnetvälja sisse. Kliinilise MRI jaoks kasutatavad tüüpilised magnetvälja tugevused on vahemikus 1,5 T kuni 7 T. Prekliinilised MRI-süsteemid kasutavad sageli palju suuremat väljatugevust kõrge signaali-müra suhte ning parema pildi kontrastsuse ja eraldusvõime saavutamiseks. MRI pakub laia valikut kujutise kontrasti tehnikaid pehmete kudede pildistamiseks ja ei vaja ioniseerivat kiirgust. MRI pakub ka kõrget eraldusvõimet nii prekliinilistes kui ka kliinilistes süsteemides.

Katioonne ferritiin (CF) võeti kasutusele intravenoosselt süstitava kontrastainena, et tuvastada ja pildistada glomeruleid kogu neerus MRI abil. Laetud nanoosakesi, sealhulgas ferritiini, on aastakümneid kasutatud alusmembraani struktuuri ja funktsioonide uurimiseks elektronmikroskoopia (EM) abil. CF-i lõi algselt elektronmikroskoopia märgistusainena Danon, kes näitas, et see võib seonduda anioonsete saitidega. . Ferritiini molekul tuvastatakse EM-is selle elektrontiheda raudoksiidi südamiku tõttu. See sama raudoksiidi südamik on sageli magnetiline, mistõttu on see MR abil tuvastatav. Seda meetodit, katioonset ferritiiniga võimendatud MRI-d (CFE-MRI), on kasutatud tervete rottide neerude iga glomeruli loendamiseks30 ex vivo ja seda kasutati glomerulaarmahtude neerusisese jaotuse mõõtmiseks. CFE-MRI-d kasutati ka hiire neeru iga glomeruli loendamiseks ja mõõtmiseks3] ning glomerulaarmahud kaardistati, et paljastada glomerulaari suuruse ruumiline varieeruvus. Neid leide on kinnitanud mitu rühma. Nii rottide kui ka hiirte mõõtmised, kasutades CFE-MRI-d, kinnitati dissektor-fraktsioneerija stereoloogia abil.

CFE-MRI on tehtud ka puutumata inimese doonorneerudes, kus CF süstiti otse neeruarterisse ja neeru loputati enne fikseerimist ja pildistamist soolalahusega. CFE-MRI inimese neerudes andis kolmemõõtmelise ülevaateneeru glomerulaarnemorfoloogia, mis näitab heterogeenset glomerulaarset hüpertroofiat ja nefroni kadumise piirkondi, mis on tõenäoliselt seotud patsiendi ravimata hüpertensiooniga. Nefroni kadumise piirkonnad korreleerusid samade piirkondade histoloogiaga, näidates nii vaskulaarset kui ka glomerulaarset skleroosi.

Need esialgsed uuringud keskendusid nefronite arvu ja glomerulaarsete morfoloogia muutustele nii kroonilise kui ka ägeda neeruhaiguse korral. Uurimuses Bennett et al{0}} jaotati CF jaotus neerudes ümber varase glomerulaarpatoloogia tõttu fokaalse ja segmentaalse glomeruloskleroosi rotimudelis enne proteinuuria ilmnemist. Hiirtel on CFE-MRI-d kasutatud glomerulaarse hüpertroofia tuvastamiseks ja kaardistamiseks nefroni redutseerimise oligosündaktilismi (Os/pluss) mudelis31. Hiljuti näitasime sedaäge neerukahjustusvastsündinu küüliku mudelis põhjustas veresoonte ümberkorraldamisega tuvastatav glomerulite kadu35 Seega võib CF-märgistuse muutuste jälgimine MRI abil olla oluline vahend, et mõista kahjustuste mõju arengu ajal ja selle mõju neerude tervisele hilisemas elus.

CFE-MRI valideerimisel teiste meetodite abil, näiteks nendes varajastes uuringutes kasutatud lavastaja-fraktsioneerija stereoloogia, on mõned olulised kaalutlused. CFE-MRI saab mõõta ainult perfuseeritud glomeruleid, samas kui histoloogilised lähenemisviisid tuvastavad ka mitteperfusiooniga glomeruleid. Kui neid kahte võrreldakse otseselt ala- või perfuseerimata glomerulitega, on MRI mõõtmised madalamad. Struktuursed ja funktsionaalsed tegurid, nagu onkootiline rõhk, kapillaaride perfusiooni kiirus ja GBM struktuur, mis mõjutavad CF akumuleerumist GBM-is, on halvasti mõistetavad, mistõttu on võimalik, et glomerulaarset omastamist moduleerivad haigusprotsessid, mis moduleerivad CFE-MRI-d teatud viisil. mida pole kirjeldatud. Lõpuks võib GBM-i kahjustus või proteinuuria põhjustada CF-i lekkimist tuubulitesse, mis põhjustab MRI-ga täheldatud glomerulite pigem difuusset kui täppismärgistamist. Arenguuuringutes varieeruvad GBM-i laengustruktuur ja glomerulaarfiltratsioon sõltuvalt gestatsiooniajast. Kõigil neil juhtudel on oluline mõista CF-märgistusega seotud parameetreid jätkuvate uuringute kaudu. Samuti on oluline kindlaks teha CF toksikoloogia, mis tundub tervetel loomadel minimaalne, kuid seda tuleb uurida iga uue mudeliga.

Hiljuti demonstreeriti röntgen-CT-d neeru mikrostruktuuri mõõtmiseks ja nefronite arvu kaardistamiseks terves neerus ex vivo . CT peamine eelis on selle lihtsus ja kasutuskiirus ning madal hind võrreldes MRI-ga. Puuduseks on ioniseeriva kiirguse kasutamine, mis võib piirata selle kasutamist in vivo või kliinilistes rakendustes. Sellegipoolest pakub C märgistatud struktuuride kõrge eraldusvõimega pildistamist ex vivo, mida saab seejärel pehmete kudede anatoomiaga koos registreerida, kasutades muid pildistamisviise.

Terve elundi optilist puhastamist on kasutatud valguslehtmikroskoopiat, et mõõta tervete hiire neerude glomerulaararvu ja kapillaarkimbu suurust. Selle atraktiivse lähenemisviisi eeliseks on kogu glomeruli automatiseerimine ja visualiseerimine mikroskoopilise eraldusvõimega kogu elundis või suurte elundite proovides.

In vivo lähenemisviisid nefronite arvu ja glomerulaarde suuruse otseseks mõõtmiseks

Väljakujunenud ja uued vahendid nefroniarvu ex vivo mõõtmiseks on võimaldanud järeldada nefronite arvu ja glomerulaarmahu subjektidevahelist ja -sisest heterogeensust. Need tööriistad hakkavad lahendama kriitilisi lünki meie teadmistes neerude struktuuri ja selle seose kohta neerufunktsiooniga in vivo. Need küsimused hõlmavad järgmist: 1) milline on seos glomerulaaride arvu ja suuruse vahel individuaalse nefronifiltratsiooniga?, 2) milline on nefronite arvu ja glomerulaarsuuruse ruumiline jaotus ning selle seos patoloogiaga? ja 3) kas glomerulaaride vananemise kiirus muutused tervises ja neeruhaigused? Kliiniliselt on võimalik hinnata nefronite arvu in vivo, kasutades röntgeni/CT ja biopsia kombinatsiooni. Seda tüüpi töö hakkab looma kriitilist seost nefronite arvu ja neerufunktsiooni vahel. Mitmed väljaanded on näidanud, et MRI-d saab kasutada üksikute glomerulite tuvastamiseks elusloomal. Varajane töö selles valdkonnas CFE-MRI-ga piirdus konkreetsete neerupiirkondadega. Ühes aruandes töötati välja traadita võimendi, et suurendada kohalikult signaali neerudes, et võimaldada üksikute nefronite kaasregistreerimist filtreerimise ja funktsiooni ajal4. Hiljuti on kahes publikatsioonis teatatud üksikute glomerulite mõõtmisest in vivo kogu neerus CFE-MRI abil nii rottidel kui ka hiirtel. Seda lähenemisviisi kasutati ka pikisuunalises katses, mis näitas, et CFE-MRI-d saab potentsiaalselt kasutada nefronite arvu muutuste jälgimiseks aja jooksul vastusena ravile või neerude arengu jälgimiseks.

In vivo CFE-MRI peamine väljakutse on tundlikkus. Deoksühemoglobiin veres on paramagnetiline ja võib põhjustada kapillaarides magnetilise tundlikkuse artefakti, mis vähendab CF-ga märgistatud glomerulite tuvastamise dünaamilist ulatust. Selle lahendamiseks saab ferritiini modifitseerida, et lisada rohkem rauda, ​​ja CF metalloksiidi südamikku saab muuta, et muuta see ilma tundlikkuse artefaktita hõlpsamini tuvastatavaks. Teiste avastamisstrateegiatega kaasnevad aga kompromissid toote saagikuse või pildistamiskiiruse osas, nii et CFE-MRI esimesel demonstratsioonil neid lähenemisviise ei kasutatud. CFE-MRI võti on kontrollida liikumist ja tagada, et raadiosageduslik (RF) mähis oleks kogu neeru ulatuses piisavalt tundlik.

Arengu nefroloogia väljavaated: struktuur ja funktsioon Siin oleme kirjeldanud esilekerkivaid tööriistu nefronite varade otseseks mõõtmiseks nii ex vivo kui ka in vivo. Röntgen-CT võimaldab kiiret kujutise omandamist ja fenotüüpide määramist ex vivo. Selliste vahendite, nagu röntgen-CT koos biopsiaga, eeliseks on see, et neid kasutatakse kiiresti kliinikus, puuduseks on invasiivsus, ioniseeriva kiirguse kasutamine ja proovide kõrvalekalde potentsiaal. MRI-põhised lähenemisviisid ületavad ioniseeriva kiirguse vajaduse ja pakuvad pehmete kudede kombineeritud kontrasti ning neid saab kasutada nii ex vivo kui ka in vivo. CFE-MRI nõuab kontrastaine süstimist, mida tuleb pidada ohutuks, enne kui seda saab kliinikus kasutada. Kuigi nefronite arvu in vivo mõõtmine on lapsekingades, võivad uued kiire pildistamise jaoks mõeldud kujutise saamise järjestused lisaks täiustatud riistvarale ja pilditöötlusele muuta need MRI-vahendid tavapäraseks kasutamiseks praktiliseks. Kui tehnika küpseb, kasutatakse CF-indutseeritud vastuvõtlikkuse artefakti tundlikkuse vähendamiseks teisi impulssjärjestusi ja kohaliku magnetkeskkonna füüsikat mõistetakse paremini, et potentsiaalselt veelgi rohkem teavet avaldada. Samuti on ainulaadsed võimalused kombineerida glomerulaar- ja torukujulist morfoloogiat teiste kujutise omandamise strateegiatega, et anda täielik ülevaade neerude mikrostruktuurist, üldisest anatoomiast ja füsioloogiast in vivo. Seda kombineeritud teavet saab kasutada nefronikaotuse arengu uurimiseks aja jooksul, mis on nii ägedate kui krooniliste neeruhaiguste ja progresseeruvate neeruhaiguste peamine tunnusjoon.

Kujutiste visualiseerimise ja segmenteerimise hiljutine täiustamine analüütiliste tööriistade või tehisintellekti abil võimaldab eraldada kudede kolmemõõtmelistest kujutistest suures koguses teavet. Mõned esilekerkivad tehnikad, näiteks tundlikkuse tensori kuvamine, lubavad anda uut teavet, mida saab kasutada koe mikrostruktuuri asendusena. Neerudes võib see hõlbustada glomerulite, tuubulite, veresoonte ja interstitsiumi kombineeritud kaartide koostamist kaasregistreeritud kujutiste kombinatsioonist. Samuti võib olla võimalik neid pilte otse optilise pildistamise või muude radioloogiliste kujutiste abil saadud teabe kaasregistreerimiseks. Iga juhtumi puhul on oluline neid uusi tööriistu põhjalikult valideerida ja lõpuks standardida mõned omandamisprotokollid asutuste vahel, et tagada kõrge reprodutseeritavuse tase. Uute tööriistade kättesaadavus ja kasutuslihtsus ajendavad tõenäoliselt uusi lähenemisviise andmeteaduses, et integreerida teave kõigist nendest kontrastimehhanismidest ja -viisidest, et pakkuda paljudel katsealustel neerudest uut kvantitatiivset vaadet. Arendamise käigus võib neid tööriistu lõpuks kombineerida pikisuunalistes uuringutes. Uue masinõppe kasutuselevõtt ja loomine on selle jõupingutuse jaoks kriitilise tähtsusega.

Ülejäänud väljakutse on nefronite arvu mõõtmiste tõlkimine inimestel in vivo pildistamiseks49. Nefronite arvu või glomerulaarmahu kliiniline mõõtmine võimaldaks potentsiaalselt individuaalseid ravimeetodeid, mis on kohandatud konkreetsete patsientide vaatlustele ja võiks anda täiesti uue ülevaate inimese neerudest. arengut.