Neerude mikrotsirkulatsiooni pildistamine rakuteraapias

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Katerina Apelt jt

Cistanche vars neeruhaiguse jaoks, proovi saamiseks klõpsake siin

Abstraktne:

Neerudmikrovaskulaarsel haruldusel on progresseeruvas võtmerollisneerudhaigus. Seetõttu suurendavad neeru mikrotsirkulatsiooni visualiseerimise viisid meie arusaamist haiguse mehhanismidest ja võivad seega pakkuda uusi lähenemisviise rakupõhise ravi hindamiseks. Praegu puuduvad aga kliinilises praktikas mitteinvasiivsed, ohutud ja tõhusad pildistamisviisid, et jälgida neeruhaigust põdevate patsientide neerude mikrovaskulaarseid muutusi aja jooksul. Olulisuse rõhutamiseks võtame kokku praegused teadmised neerude mikrotsirkulatsioonist ja arutasime seotust progresseeruva neeruhaigusega. Lisaks esitatakse ülevaade saadaolevatest pilditehnikatest neeru mikrovaskulaarse morfoloogia, funktsiooni ja käitumise avastamiseks koos sellega seotud eeliste ja piirangutega. Lõppkokkuvõttes võib vajadus hinnata ja uurida neeruhaigust in vivo näitude põhjal, mille eraldusvõime on kuni kapillaartasemeni, anda paradigma muutuse diagnoosimisel ja ravilnefroloogia.

Märksõnad: neerud; mikrotsirkulatsioon; mikrovaskulaarneharuldus; rakuteraapia; pildistamine

1. Sissejuhatus

Neerude veresoonkonnal on anatoomiliselt keeruline arhitektuur, mis peegeldab selle ainulaadset füsioloogilist funktsiooni [1]. Vaatamata mikrovaskulaarse võrgustiku väga dünaamilisele kohanemisele hemodünaamiliste muutustega, võib vaskulaarne düsfunktsioon olla selle tagajärg või isegi põhjus.neerudhaiguse areng ja progresseerumine [2,3]. Sellest tulenevalt võib mikrovaskulaarne düsfunktsioon olla fibrootilise neerukahjustuse varane tunnus, mis viitab sellele, et neerude mikrovaskulaarse arhitektuuri ja funktsiooni mitteinvasiivne hindamine ja valideerimine oleks suurepärane edasiminek neerufibroosi vähendamisele suunatud ravide tõhususe hindamisel.

Kliinilises praktikas raskusest kroonilineneerudhaigus (CKD) klassifitseeritakse glomerulaarfiltratsiooni kiiruse (GFR) alusel, mis peegeldub kergelt (60–89 ml/min/1,73 m2), mõõdukalt (30–59 ml/min/1,73 m2) või raskelt (15–29 ml/min). min/1,73 m2 ) vähenesneerudfunktsioonipõhinevad etteantud kategooriatel [4]. Haiguse progresseerumist kaugelearenenud krooniliseks neeruhaiguseks ja lõppstaadiumis neeruhaiguseks (ESRD) määratletakse glomeruloskleroosi ja tubulointerstitsiaalse fibroosi esinemisega, mille GFR on alla 15 ml/min/1,73 m2. Mitmed uuringud on näidanud, et neerukapillaaride kadumise nähtus, st neeru mikrovaskulaarne harvestumine, on tihedas korrelatsioonis neeruhaiguse raskusastmega ja on seotud järgneva kroonilise neeruhaiguse progresseerumise bioloogiaga [3,5–7]. Neerufibroosi teket tõsteti esile sellise peritubulaarse kapillaaride kaotuse ja sellest tuleneva neeruepiteeli kaotuse keskse tunnusena. Kui neeru mikroveresoonkonda suudetakse kaitsta või isegi taastada, paraneks neeru struktuurne koe terviklikkus ja saaks ära hoida haiguse progresseerumist [2,8]. Lisaks saab potentsiaalselt määratleda terapeutilise akna, et hinnata vigastuse raskust enne, kui neerukahjustuse aste on pöördumatu. Eelkõige saab hinnata ja täpsustada rakuteraapiate kasutamist, näiteks mesenhümaalsete stroomarakkude (MSC) paljulubavaid rakendusi neerude veresoonte haiguste raviks. Neerude mikrovaskulaarse harvestumise üksikasjalikku mõistmist takistab aga endiselt pildistamisviiside puudumine, mis võimaldaks veresoonte arhitektuuri ja funktsionaalsuse kõrge eraldusvõimega ja mitteinvasiivset jälgimist.

Selles ülevaates võtame kokku praegused teadmised neerude mikroveresoonkonna ja patoloogiliste mehhanismide kohta, mis võivad mõjutada mikrotsirkulatsiooni. Arutleme peritsüütide tähtsuse üle ja anname ülevaate nende kesksest rollist neeruhaiguse progresseerumisel mikrovaskulaarse düsfunktsiooni ja harvaesinemise kaudu, samutineerudfibroos. Seejärel kirjeldame uusi arenguid pildistamistehnikates, mis võiksid jälgida selliseid muutusi neerude mikrotsirkulatsioonis.

2. Neerude veresoonkond

2.1. Neerude vereringe

Inimkeha mikrovaskulatuur koosneb arterioolidest, kapillaaridest ja veenulitest ning viib läbi hapniku, toitainete ja metaboliitide vahetust vere ja ümbritseva koe vahel [8,9]. Ilmselt on mikrotsirkulatsiooni elutähtis funktsioon täpselt reguleeritud, lähtudes elundi metaboolsetest vajadustest. Arterioolide peamine ülesanne on reguleerida verevoolu, reguleerides vastupanu, et tagada elutähtsa vahetuse toimumine kapillaaride tasemel [10]. Sellega seoses sõltub pidev kohanemine aluskoe homöostaatilise nõudlusega peamiselt endoteelirakkude dünaamilisest plastilisusest. Samal ajal sõltub mikrotsirkulatsiooni endoteeli tervis tihedast rakkudevahelisest suhtlusest peritsüütidega, mis stabiliseerivad veresooni füüsiliselt, reguleerivad angiogeneesi ja kontrollivad verevoolu [11,12].

Neer on tugevalt vaskulariseeritud organ, millel on ainulaadsed morfoloogilised ja funktsionaalsed omadused, mis peegeldavad selle veresoonte võrgu märkimisväärset heterogeensust [1, 10]. Veri siseneb neerudesse neeruarteri kaudu läbi hilum (joonis 1), mis jaguneb neeruvaagnas edasi dihhotoomiliselt segmentaalseteks arteriteks ja hargneb järk-järgult väikese tupplehe tasemel interlobararteriteks, mis levivad neerupüramiidide vahel [1,13 ]. Ajukoore ja medulla piiril voolavad interlobaararterid kaarekujulistesse arteritesse, moodustades mõlema neerukambri vahel anatoomilise eraldatuse [1]. Ajukoores tekivad interlobulaarsed arterid, mida tuntakse ka kortikaalsete kiiritusarterite või kortikaalsete läbistavate arterioolidena, risti kaarekujulistest arteritest ja lahknevad aferentseteks arterioolideks, et varustada glomerulaarpuu erinevaid harusid. Sõltuvalt glomerulite asukohast koguneb filtreeritud veri proksimaalseid ja distaalseid tuubuleid ümbritsevasse kortikaalsesse kapillaarpõimikusse või medullaarsesse kapillaarpõimikusse Henle ahela tasemel. Lõpuks voolab veri venoossesse süsteemi, mis kulgeb paralleelselt arteriaalse võrgustikuga, mis väljub neerust interlobulaarse, kaarekujulise, interlobaarse, segmentaalse ja lõpuks otse kusejuha kohal asuva neeruveeni kaudu. Üldiselt säilib see põhiline veresoonte muster imetajatel [14,15].

2.2. Neerude kapillaarvõrgud

Neerude mikroveresoonkonna arhitektuuri keerukust peegeldab erinevate neeruveresoonte morfoloogia (joonis 2). Neeru endoteeli ja neid ümbritsevate perivaskulaarsete rakkude struktuurne ja funktsionaalne heterogeensus on tihedalt käsikäes kapillaaride võrgu tüübiga [15–17]. Tegelikult on erinevate kapillaarikihtide olemasolu märkimisväärne omadus, mis tagab filtreerimise läbi glomerulaarkapillaaride võrgustiku, samuti sekretsiooni ja reabsorptsiooni peritubulaarse kapillaarivõrgu ja medullaarse kapillaarvõrgu kaudu [1, 13, 14]. Kortikaalne mikrotsirkulatsioon tagab peamiselt glomerulaarfiltraadi reabsorptsiooni, samas kui soola ja vee eritumist reguleerib valdavalt medullaarne mikrovaskulaarne sektsioon [14]. Huvitav on see, et kuigi medulla moodustab ligikaudu 30 protsenti neerukoe kogumassist, moodustab see osa kogu neerude verevoolust (RBF) vaid 10 protsenti [10]. Anatoomilise asendi põhjal võib neerude mikrotsirkulatsiooni jagada (i) kortikaalseks mikrotsirkulatsiooniks; ja (ii) medullaarne mikrotsirkulatsioon [13,14].

Kortikaalne mikrotsirkulatsioon on füüsiliselt eraldatud kaarekujuliste arteritega, mis tekitavad interlobulaarseid artereid, mis hargnevad mõlemalt poolt edasi mitmeks aferentseks arteriooliks, et varustada glomerulaarset kapillaaride võrku [14]. Hargnemine toimub erineva nurga all, sõltuvalt glomerulite asukohast ajukoores. Aferentse arteriooli kaudu varustatakse 6–8 kapillaarsilmust koosnevat glomerulaarset kapillaarivõrku verega, mis väljub pärast filtreerimist eferentse arteriooli kaudu [10]. Glomerulaarsed kapillaarid (joonis 2a) on moodustatud õhukesest pidevast ja enamasti lamedast fenestreeritud endoteelist, mis on kaetud podotsüütidega. Fenestreeritud alad võivad moodustada kuni 20–50 protsenti kogu nende rakupinnast [16]. Kortikaalsed glomerulid moodustavad 90 protsenti kõigist neerudes leiduvatest glomerulitest ja seetõttu ei ole üllatav, et suurem osa RBF-st voolab valdavalt läbi [13]. Ülejäänud 10 protsenti kõigist glomerulitest asuvad kortiko-medullaarsel piiril ja on suurema suurusega. Lisaks glomerulite suuruse erinevustele võib kortikaalseid ja juxtamedullaarseid glomeruleid varustavate aferentsete ja eferentsete arterioolide struktuurseid erinevusi seletada kapillaarrõhu säilitamise olulisusega.

Õige vere filtreerimise tagamiseks on kortikaalsete aferentse (joonis 2b) ja kortikaalse eferentse (joonis 2c) arterioolide diameetri erinevus 15 µm versus 10 µm [13]. Vererõhku reguleeritakse aferentsete arterioolide küljel resistentsuse muutuste abil, mis selgitavad pidevat endoteeli, mis on ümbritsetud silelihasrakkudega (SMC) [18]. Aferentse arteriooli lähem uurimine näitab pigem kahe vaskulaarse segmendi olemasolu kui ühtlast endoteeli kogu veresoone pikkuses, nagu tavaliselt esineb. Aferentse arteriooli proksimaalne osa koosneb mitteläbilaskvast endoteelist, millel on tihedalt paigutatud SMC-d, mis on vajalikud veresoonte kokkutõmbumiseks. Erinevalt distaalsest osast, mis asub glomeruli lähedal ja koosneb fenestratsiooni olemasolu tõttu läbilaskvast endoteelist. Huvitav on see, et see fenestratsioon on kõrge intravaskulaarse rõhuga veresoonte puhul üsna haruldane. Lisaks mähivad kuubikujulised reniini tootvad peritsüüdid aferentse arteriooli distaalset osa, et vahendada lokaalse vererõhu reguleerimist glomerulites [17,19].

Filtreeritud veri väljub igast kortikaalsest glomerulist eferentse arteriooli kaudu, et ühineda neerutuubuleid ümbritsevas tihedas kortikaalses kapillaarpõimikus [10]. Peale glomerulaarkapillaarsüsteemi tuntakse seda teist kapillaarkambrit peritubulaarse kapillaarsüsteemina [16]. Peritubulaarsed kapillaarid (joonis 2d) on fenestreeritud ja õhukeseseinalised, keskmise läbimõõduga umbes 7 µm [13,15]. Need kapillaarid varustavad hapnikku ja toitaineid neerukoores paiknevatele tuubulitele, kuid mitte tingimata sellele, millest nad pärinevad [10, 15]. Peritubulaarsetel kapillaaridel on pidevam endoteel, samuti väiksem läbimõõt, võrreldes vasa recta medullaarsete kapillaaridega [13,16]. Neeruhaiguse korral mõjutab glomerulaarkahjustus lõpuks allavoolu järjestikku paiknevaid peritubulaarseid kapillaare ja kiirendab seeläbi neeruhaiguse progresseerumist [10, 20].

Juxtamedullaarse aferentse arteriooli (joonis 2e) läbimõõt on ligikaudu 20 µm, samas kui juktamedullaarse eferentse arteriooli (joonis 2f) siseläbimõõt on 20–25 µm [13]. Juxtamedullaarsest glomerulusest väljuv eferentne arteriool on tihedalt ümbritsetud mitme SMC-ga. See märgatav erinevus veresoone läbimõõdus, samuti suurenenud lihasestumine, tõstavad arutelu selle glomerulitüübi osaluse üle isheemiasse. Näib, et neeru veresoonte arhitektuur on teatud viisil korraldatud, et kaitsta medulla isheemiliste kahjustuste eest. On olemas hüpotees, et juxtamedullaarsete glomerulite aferentsed ja eferentsed arterioolid ei pruugi olla vastutavad medullaarse vere kolledži (MBF) reguleerimise eest, kuid see oleks ka potentsiaalselt vastuolus nende rolliga glomerulaarfiltratsiooni kiiruse kontrollimisel [21]. Selle asemel näib, et välimise medulla sisemises ribas asuvate veresoonte kimpude laskuv vasa recta (DVR) vastutab MBF kontrollimise eest, mis võib seletada seda veresoone sektsiooni ümbritsevate peritsüütide suurt arvu. Seetõttu mängib DVR võtmerolli arteriaalse rõhu pikaajalises reguleerimises [13]. Juxtamedullaarsete glomerulitega ühendatud eferentsed arterioolid voolavad läbi vaskulaarsete kimpude, mis asuvad välimise medulla sisemises ribas, muutuvad DVR-iks. DVR loob medullaarse kapillaarvõrgu, mis on ühendatud tõusva vasa recta (AVR) [1].

Medullaarne mikrotsirkulatsioon algab siis, kui kõrvuti paiknevatest glomerulitest pärinevad eferentsed arterioolid sisenevad kudedesse sügavamale, et varustada ülejäänud 30 protsenti neerukoest, mida tuntakse medulla nime all [13,14]. Ühe neerupüramiidi medulla on anatoomiliselt jagatud kaheks osaks: välimine medulla, mis asub otse ajukoore all, millele järgneb sisemine medulla, mis levib kuni parenhüümi tipuni, mida nimetatakse papillaks. Üldiselt suureneb medullaarsete kapillaaride arv alates neerupüramiidi tipust. Lähem vaatlus näitab, et välimist medulla saab täiendavalt jagada välimiseks ribaks ja tugevalt vaskulariseerunud sisemiseks ribaks, mis sisaldab tihedat kapillaarpõimikut ja kimpudevahelist põimikut [15]. Kimpudevahelisi kapillaare iseloomustab fenestreeritud endoteel ja need on seotud kaarekujulise veeniga [14, 22].

Iga juxtamedullaarne eferentne arteriool jaguneb mitmeks kimpuks, mida nimetatakse vaskulaarseteks kimpudeks, moodustades DVR-i harud (joonis 2g), millel on suurem läbimõõt kui ajukoore peritubulaarsete kapillaaridega [15,23]. Veresoonte kimpude DVR-i endoteeli külge on kinnitatud mitu peritsüüti [17]. Huvitaval kombel väheneb veresooni ümbritsevate peritsüütide arv sisemise medulla DVR-is (joonis 2h) [15,17]. See DVR-i morfoloogiline paigutus välimises ja sisemises medulla sektsioonis peegeldab selle kahekordset funktsiooni [10]. Täpsemalt ilmneb DVR-i vasokonstriktsioon enamasti proksimaalses osas, mis asub medulla välimises osas [15]. Distaalses osas ehk sisemises medullas toimub aga peamiselt elektrolüütide vahetus. See anatoomiline erinevus viitab otseselt peritsüütide erinevale alampopulatsioonile morfoloogilise välimuse ja funktsionaalsete omaduste poolest [15, 17].

Sügaval sisemise medulla sees jagunevad DVR-i erinevad harud enne oluliselt väiksema AVR-iga ühendamist keerukaks kapillaarvõrguks [10]. DVR-i endoteel on pidev, erinevalt AVR-i endoteelirakkudest (joonis 2i), mis on tugevalt fenestreeritud. Lõpuks kogutakse AVR-ist kogu veri, samuti kortikaalse kapillaarpõimiku peritubulaarsed kapillaarid veenisüsteemi. Üldjuhul on neeruveenidel äärmiselt õhuke veresoone sein ning lobulaarsed, kaarekujulised ja interlobaarsed veenid on fenestreeritud ja sisaldavad diafragmasid. Üllataval kombel on interlobulaarsed veenid õhukese ja tugevalt kinnitunud epiteeli tõttu üldiselt suuremad sarnasused peritubulaarsete kapillaaridega kui veenidega.

Erinevad neeru mikrovaskulaarsed segmendid ja nende elegantne morfoloogiline välimus rakutasandil tekitavad kahtlust, et olemasolev keerukus muundub veelgi keerulisemaks haigusmehhanismiks. Seetõttu keskendub järgmine jaotis neerude mikrovaskulaarsete talitlushäiretega seotud protsessidele.

3. Neerude mikrovaskulaarsed talitlushäired

3.1. Endoteeli düsfunktsioon

Neeru endoteel on füsioloogilistes tingimustes enamasti vaikne; aga vastusena mikrokeskkonna muutustele, st nihkepingele, hüpoksiale, oksüdatiivsele stressile või põletikule, toimub endoteelirakkude aktivatsioon ja tekivad angiogeensed kasvufaktorid [24]. Sõltuvalt vallandajast võib endoteelirakkude aktiveerimine kutsuda esile põletikueelse ja tromboosi soodustava fenotüübi, et soodustada immuunrakkude adhesiooni ja infiltratsiooni mikrotrombide moodustumiseks. Veresoonte barjääri säilitamiseks sobiva suure reguleeriva funktsiooni ja lahustunud ainete transpordi läbilaskvuse tagamiseks on aga oluline nii rahulike kui ka aktiveeritud endoteelirakkude metaboolset seisundit tihedalt reguleerida.

Kudede terviklikkus ja elundi funktsioon sõltuvad peamiselt mikrovaskulaarse võrgustiku sobivast perfusioonist [8]. Seetõttu pole üllatav, et endoteelirakkudel on kõrge plastilisus, et tagada dünaamiline kohanemine keskkonnamuutustega, kohandades kapillaaride arvu, morfoloogilist kuju ja funktsiooni [1, 2, 8]. Pikaajaline kõrgenenud vererõhu periood põhjustab aga pöördumatuid muutusi mikrotsirkulatsioonis, põhjustades vigastatud endoteelirakke, mida iseloomustavad halvenenud kohanemisomadused. See häiritud homöostaas kajastub lämmastikoksiidi (NO), hüpoksiaga indutseeritava faktori -1 (HIF-1) ja veresoonte endoteeli kasvufaktori (VEGF) vähenemises koos muude tegurite, näiteks nagu angiostatiin, endostatiin ja trombospondiin [1]. Eelkõige on vastuvõtlikkus neerude endoteeli düsfunktsioonile mitmekesine ja see sõltub endoteelirakkude tüübist, mis paikneb neerude mikrotsirkulatsiooni erinevates osades [16, 24]. Neerude endoteelirakkude heterogeensete fenotüüpide ja nende erineva reaktsiooni selgitamiseks mikrovaskulaarsetele muutustele on Dumas et al. [25] esitas hiljuti kõrge eraldusvõimega neeru endoteeli atlase, kasutades üherakulise RNA sekveneerimist.

Endoteeli düsfunktsioon esineb sageli koos neerufunktsiooni ägeda ja progresseeruva langusega [24]. See talitlushäire põhjustab suurenenud veresoonte takistust, millega kaasneb RBF vähenemine [26]. Pikaajaline vasokonstriktsiooni periood põhjustab kudede ebapiisavat perfusiooni ning stressi ja kasvufaktorite aktiveerumist, mis põhjustab morfoloogilisi muutusi [1]. Olenevalt konkreetse insuldi raskusastmest ja eriti kestusest võib RBF-i mikrotsirkulatsiooni struktuurimuutuste sisseviimisega pöördumatult muuta. Need morfoloogilised muutused on põhjustatud protsessist, mida nimetatakse mikrovaskulaarseks ümberkujundamiseks. Mikrovaskulaarne remodelleerimine on defineeritud kui vastus mikroveresoonkonna funktsionaalsetele muutustele, mis võib järelikult põhjustada muutusi mikrovaskulaarses arhitektuuris struktuursel tasandil viimasel katsel saavutada hemodünaamiline homöostaas [1, 2, 8]. Lõpuks võib endoteeli düsfunktsioon põhjustada nähtust, mida nimetatakse "tagasivooluks", mille tõttu ei saa perfusiooni taastada, mis viib lõpuks tubulaarsete epiteelirakkude kahjustuseni, mis põhjustab ägeda neerukahjustuse (AKI) [24].

On väga oluline rõhutada, et endoteeli düsfunktsioon ei ole seotud ainult neeruhaigusega, vaid soodustab ka haiguse progresseerumist [24]. Neerude mikrovaskulaarne talitlushäire kajastub rakukahjustusest põhjustatud endoteeli düsfunktsioonis, mis häirib peritsüütide tihedat koostoimet endoteelikihiga ja takistab rakulist suhtlust.

3.2. Peritsüütide kaasamine neerufunktsiooni häiresse

Kroonilise neeruhaiguse keskseks tunnuseks on peritubulaarse kapillaaride võrgustiku järkjärguline kadumine, protsessi, mida nimetatakse harvendamiseks [27]. Tubulointerstitsiaalsele fibroosile ja kahjustatud tubulaarsele epiteelile eelneb see kapillaaride haruldus neerudes [27], samas kui see mikrovaskulaarne harvestumine on otseses korrelatsioonis fifibroosi raskusastmega [28, 29]. Lisaks on leitud, et harulduse ulatus ennustab nii interstitsiaalse kahjustuse astet kui ka muutusi glomerulaarfiltratsiooni kiiruses kroonilise neeruhaigusega patsientidel [28]. Need leiud viitavad varajasele kiirust piiravale rollile mikrovaskulaarse destabiliseerimise / kadumise korral kroonilise neeruhaiguse arengus ja fibroosi patogeneesis [30]. Krooniline endoteelirakkude aktiveerimine kardiovaskulaarsete riskifaktorite poolt võib põhjustada peritsüütide kadu, mis mängivad olulist rolli kapillaaride stabiliseerimisel ja proliferatsioonil interaktsioonide kaudu endoteelirakkudega [31]. Tõepoolest, kogunevad tõendid näitavad peritsüütide tähtsust ja nende osalust neerude mikrovaskulaarses tervises [17].

Peritsüüdid on perivaskulaarsed seinarakud, mille endoteeli katavad piklikud protsessid, mis on kinnitunud kapillaaride alusmembraani [32]. Need on mesenhümaalse päritoluga rakud ja pärinevad Forkhead box D1 (FoxD1) pluss strooma eellaspopulatsioonist, mis tekitavad ka teisi neeruveresoonkonna seinarakke, sealhulgas SMC-d, residentide fibroblastid, reniinirakud ja mesangiaalrakud [33], samas kui kõik neeruveresoonkonna endoteelirakud pärinevad tüvirakulisest leukeemiast (SCL) pluss eellasrakkudest [34]. Peritsüüdid erinevad residentidest (perivaskulaarsetest) fibroblastidest, kuna need on põimitud vaskulaarse alusmembraani, kuid enamik neeruuuringuid ei tee vahet peritsüütide ja perivaskulaarsete fibroblastide vahel [31,35], tõenäoliselt spetsiifiliste markerite puudumise tõttu. Peritsüütide tuvastamiseks tavaliselt kasutatavate markerite hulka kuuluvad trombotsüütidest pärineva kasvufaktori retseptor- (PDGFR), kondroitiinsulfaat-proteoglükaan NG2, silelihase aktiin (SMA), diferentseerumisklaster 73 (CD73) ja PDGFR, kuid need markerid tuvastavad erinevaid ( kattuvad) peritsüütide alamhulgad, mis paiknevad erinevates anatoomilistes piirkondades, peegeldades selle rakupopulatsiooni heterogeensust [17] ja tõenäoliselt ka funktsionaalset heterogeensust. Peritsüüdid reguleerivad tihedalt veresoonte arengut, stabiliseerumist, küpsemist ja ümberkujunemist [11] ning kontrollivad verevoolu vasokonstriktsiooni kaudu. Peritsüüte reguleerivad funktsionaalselt vasokonstriktiivsed tegurid nagu angiotensiin II ja adenosiintrifosfaat (ATP), aga ka vasodilatoorsed tegurid nagu NO ja prostaglandiinid [17]. Veresoonte küpsemine sõltub perivaskulaarsete rakkude värbamisest, et stabiliseerida veresoonkonda ja kontrollida vererõhku [12].

Neerus ümbritsevad peritsüüdid kortikaalsete glomerulite aferentsete arterioolide distaalseid osi ja esinevad peamiselt peritubulaarsetes kapillaarides ja vasa rectas [13, 19]. Lisaks on mesangiaalrakud neeruperitsüütide (spetsialiseerunud) alamhulk, mis on olulised glomerulaarsete kapillaaride struktuurse toe säilitamisel ja glomerulaarse hemodünaamika reguleerimisel. Lisaks vahendavad arterioolide juures paiknevad kontraktiilsed jukstaglomerulaarsed peritsüüdid lokaalset glomerulaarset vererõhku ja mõjutavad reniini sekretsiooni kaudu süsteemset vererõhku [19]. Huvitaval kombel on stroomakambrist pärinevad reniini prekursorrakud spatiotemporally seotud veresoonte arenguga, samas kui arteriaalse haru moodustumisele eelnes hargnemiskohas reniini ekspresseerivate rakkude ilmumine [33, 36]. Veelgi enam, kasutades transgeenset reniini reporter-sebrakala, näidati, et reniini ekspresseerivad rakud eelnevad angiogeensetele võrsetele [37]. Täiskasvanud hiire neerudes täheldatakse reniini päritolu rakke ka perivaskulaarsetes kohtades ja värvuvad koos peritsüütmarkeritega (PDGFR / NG2) [38], mis viitab selle alamrühma võimalikule olulisele rollile veresoonte hooldamisel.

3.3. Endoteelirakkude ja peritsüütide signaalide interaktsioonid

Peritsüüdid interakteeruvad endoteelirakkudega paljude vastastikuste koostoimete kaudu, mis reguleerivad stabiliseerimiseks ja angiogeenseks võrsumiseks vajalikke signaaliradu. Peritsüüdi signaal endoteelile sekreteeritud faktorite, nagu VEGF, PDGF, transformeeriva kasvufaktori (TGF-) ja angiopoietiini -1 (Ang-1) kaudu, samuti otsese endoteeli-peritsüüdi läbirääkimise kaudu [39 ]. Sarnaselt annab endoteel signaali ümbritsevatele stroomarakkudele, kasutades selliseid tegureid nagu angiopoetiin -2 (Ang-2) ​​ja PDGF. Ang-2 häirib negatiivselt Ang-1-vahendatud Tie-2 signaaliülekannet, mille tulemuseks on peritsüütide ja endoteelirakkude interaktsiooni katkemine ning sellele järgnev veresoonte destabiliseerimine ja ebanormaalne mikrovaskulaarne remodellatsioon [40,41]. Perivaskulaarsete stroomarakkude ja endoteelirakkude vahelise interaktsiooni kriitilist tähtsust kapillaaride võrgu säilitamisel tõendavad ka hiireuuringud, mis näitavad, et kui peritsüütide investeerimine on takistatud, destabiliseerub kapillaaride võrk ja tekib harvendamine [42]. Näiteks suurendab hüperglükeemia endoteeli Ang{15}} ekspressiooni, põhjustades perivaskulaarsete stroomarakkude migreerumist kapillaaridest [43]. Hiljutised meie laboratooriumi uuringud näitasid, et nii rottidel [44] kui ka inimese doonori neerude [45] isheemia-reperfusioonikahjustus põhjustab Ang{20}}/Ang-1 tasakaalu kiiret tõusu, mis on seotud mikrovaskulaarse terviklikkuse kaotusega. Veelgi enam, diabeediga patsientidel täheldati 12 kuu jooksul pärast samaaegset neeru-pankrease siirdamist kapillaaride tervise pöördumist ning Ang-2/Ang-1 suhte ja lahustuva trombomoduliini (endoteelirakkude vigastuse marker) vähenemist [46] ]. Lisaks angiopoetiini/Tie2 radadele [47] reguleerivad endoteeli ja peritsüüdi läbirääkimist TGF-i superperekonna signaaliülekanded [48], VEGF [49] ja sfingosiin-1-fosfaadi (S1P) signaalirajad [50].

3.4. Peritsüüdid kui müofibroblastide eelkäijad

Hiire geneetilise päritolu jälgimise mudelid on näidanud, et peritsüüdid (ja muud perivaskulaarsed rakud) on neerufibroosi hiiremudelites SMA-positiivsete müofibroblastide peamine allikas [51,52]. Hiljutine elegantne uuring, mis hõlmas üherakulise RNA sekveneerimist, tõi välja kolm peamist müofibroblastide allikat inimese neerudes: (i) NOTCH3 pluss RGS5 pluss PDGFR – peritsüüdid; (ii) MEG3 pluss PDGFR pluss fibroblastid; ja (iii) COLEC11 pluss CXCL12 pluss fibroblastid [53]. Peritsüüt-müofibroblasti diferentseerumise ajal täheldati rakutsükli muutusi, mis on kooskõlas diferentseerumise ja laienemisega, ning rikastatud rajad hõlmasid kanoonilist WNT ja aktivaatorvalgu -1 (AP-1) signaaliülekannet, aga ka transkriptsiooni aktiveerimist. faktor 2 (ATF2), PDGFR, integriin, ekstratsellulaarse maatriksi (ECM) retseptori interaktsioon ja TGF-i signaalirajad [53]. Varem on näidatud, et väike osa PDGFR pluss rakupopulatsioonist koosneb perivaskulaarsetest Gli1 pluss eellasrakkudest, mis tähistavad perivaskulaarset MSC-sarnast rakupopulatsiooni, mis on samuti müofifibroblastide tekitamise kaudu vigastustest põhjustatud elundifibroosi peamised soodustajad [54]. . Lisaks näidati, et glioomiga seotud onkogeeni homoloog 1 (Gli1) ja peritsüütide kadu kutsuvad esile kapillaaride harvendamise ja proksimaalse tubulaarse vigastuse [55]. Pange tähele, et kuna peritsüüdid on varem olnud seotud ja on MSC-dega tihedalt seotud [56], tõstatab see ka küsimuse, kas peritsüütide alamhulk võib olla MSC-d ja aitab sellisena kaasa neerude taastumisele. Tegelikult on paljudes uuringutes leitud peritsüütidele erinevates kudedes multipotentne eellassarnane roll [35,57,58].

Kokkuvõttes aitab mikrovaskulaarne harvendamine otseselt kaasa müofibroblastide kogumile, mis vastutab ECM-valkude liigse tekke eest, mis on fibroosi armkoe peamine koostisosa. Lisaks põhjustab peritsüüt-müofibroblasti üleminek peritsüütide eraldumist veresoone seinast, mille tulemuseks on ebastabiilsed kapillaarid, mis iseenesest põhjustaksid harvenemist [52]. Sellegipoolest on harvaesinemise peamine mõju kroonilise neerupuudulikkuse patogeneesile põhjustatud neeruperfusiooni kadumisest, mis süvendab veelgi medullaarset isheemiat ja soodustab interstitsiaalse fibroosi teket, mida vahendab TGF- ja sidekoe kasvufaktori suurenenud ekspressioon. (CTGF) [59]. Seega võib mikrovaskulaarne harvestumine kroonilise neerupuudulikkuse patogeneesis hästi toimida kiirust piirava pro-fibrootilise lülitina. Tõepoolest, ravimeetodid, mis on suunatud endoteelirakkude ja peritsüütide interaktsioonile, nt suunatud PDGFR- või VEGF-i retseptori signaaliülekandele, võivad takistada müofibroblastide üleminekut ja piirata fibroosi arengut [60–62], illustreerides kapillaaride võrgu võtmerolli neerukahjustuses ja potentsiaalne terapeutiline sihtmärk.

Ülaltoodu põhjal on selge, et neeru keeruline veresoonte arhitektuur tekitab mitu perivaskulaarset sektsiooni, millest igaühel on oma spetsiifilised funktsioonid ja nõuded. Seetõttu on vaja tulevasi uuringuid, mis keskenduvad neeruperitsüütide põhjalikule klassifikatsioonile, iseloomustades alampopulatsioone nende asukoha, raku morfoloogia ja funktsiooni alusel. Sellisena võivad uudsed pildistamisviisid, mille eesmärk on saada juurdepääs väikese suurusega veresoontele mitteinvasiivselt, anda seda olulist teavet. Nagu neurobioloogia valdkond [12] näitab, võib peritsüütide erinevate alatüüpide täpselt määratletud kategoriseerimine pakkuda uusi võimalusi veresoonte talitlushäirete sihipärase ravi väljatöötamiseks.

4. Vaskulaarse pildistamise meetodid

Erinevad neeruhaigused peegeldavad ultrastruktuursete muutuste iseloomulikku mustrit. Biomeditsiinilise pildistamise valdkonna tehnoloogiliste edusammude tulemusena on viimastel aastakümnetel lahti harutatud neerude füsioloogilised ja patofüsioloogilised mehhanismid [63]. Keskendudes koearhitektuuri anatoomilistele ja morfoloogilistele muutustele, avardusid järk-järgult meie teadmised neeruhaigustest, mis parandas diagnostikat ja pakkus uuenduslikke ravivõimalusi. Veresoonte dünaamilisi muutusi on aga peamiselt tähelepanuta jäetud, kuna on väljakutse uurida veresoonte käitumist aegridade katsetes. Selle tulemusena on täitmata meditsiiniline vajadus töötada välja mitteinvasiivsed kuvamismeetodid, et jälgida neerude mikrotsirkulatsiooni hemodünaamikat [16].

Samuti oleks huvitav siduda pildistamise tulemused (uudsete) biomarkeritega vaskulaarse nefroloogia valdkonnas. Näiteks näitasime, et mittekodeerivad RNA-d on tihedalt seotud veresoonte vigastustega [64, 65]. Nende mõõtmiste kombineerimine võib anda uudsed (põhjuslikud) seosed ja uued võimalused diagnoosimiseks. Veelgi enam, kui uudsed pildistamisviisid on ühendatud üksikute rakupõhiste tehnikate, näiteks üherakulise RNA järjestuse ja ruumilise transkriptoomika [53, 66, 67] hiljutise väljatöötamisega, võib see võimaldada koostise ja dünaamika enneolematut süvaanalüüsi. neerude veresoonkonnast. Järgmistes jaotistes võetakse kokku juba olemasolevad ex vivo ja in vivo pildistamisviisid neerude mikroveresoonkonna morfoloogiliste ja funktsionaalsete aspektide uurimiseks.

4.1. Ex Vivo

Suur osa meie teadmistest neerude mikroveresoonkonna kohta on saadud kudede biopsiate põhjalikust ex vivo analüüsist. Vastavalt sellele hinnatakse rakupõhist ravi sageli koe lõikamise ja värvimise teel. Kuigi on palju uuringuid, mis uurivad MSC-de terapeutilist toimet neeruveresoonkonnale [68], on vähesed uurimisrühmad kasutanud MSC-ravi hindamiseks 3D-arhitektuuri uurimisel keerukaid kuvamismeetodeid, nagu mikrokompuutertomograafia (mikro-CT). neeruveresoonkonnast [69–74].

4.1.1. Mikrokompuutertomograafia (mikro-CT)

Mikrokompuutertomograafia (mikro-CT) kasutuselevõtt Flannery jt poolt. [75] avas 1987. aastal uued võimalused näriliste puutumatute veresoonte uurimiseks, et saada teadmisi kõrge ruumilise eraldusvõimega haiguste mehhanismidest. See ex vivo modaalsus võimaldas visualiseerida neerude mikrovaskulaarset arhitektuuri ja kvantifitseerida glomerulaaride arvu, ruumilist jaotust ja mahtu, mida saab kasutada kogu organi patofüsioloogilise seisundi indikaatorina [76]. Eraldusvõime ühes 3D-vaateväljas 10 243 voksliga võimaldas visualiseerida aferentseid ja efferentseid arterioole, samuti näriliste neerude glomerulaarkapillaare. Rottidel kasutati taastatud voksli suurust 21 µm [77] ja sigadel uuriti neeruveresoonkonda voksli suurusega 40 µm ja skaneerimise vaateväljaga 1,2 mm [78]. Edusammud mikro-CT valdkonnas andsid võimaluse pildistada rottide nefroni veresooni voksli eraldusvõimega 1 µm 2 mm skaneerimise vaateväljas [79].

Hillmani jt poolt välja töötatud kvantifitseerimistehnika põhjal. [80], kasutades tavapärast CT-d, määrati veresoonte arhitektuur ja veresoonte maht erinevates neerukoe sektsioonides vastavalt sarnastele uuringutele, milles hinnati neerusooni histoloogiliste koelõikude põhjal [77]. Huvitav on see, et pildistamisviiside, nagu mikro-CT, rakendamisel tõsteti lisaks tavapärasele mõtteviisile glomerulaarkapillaaride võrgu rollist oluliseks ka peritubulaarsete kapillaaride ja nende seotuse uurimine patoloogilistes tingimustes.

Mikrovaskulatuuri varaseid struktuurseid muutusi saab visualiseerida ja tuvastada mikro-CT abil ning seetõttu pole üllatav, et mikro-CT abil tuvastati mitu neeruhaigusega seotud vaskulaarse taseme molekulaarset mehhanismi. Erinevates neeruhaiguse mudelites, näiteks polütsüstilise neeruhaiguse (PKD) korral, kirjeldati korrelatsiooni patoloogia ja vähenenud mikroveresoonkonna vahel, mis määrati mikro-CT-ga 17 µm voksli suuruse lahutusvõimega [81]. Lisaks täheldati hüperkolesteroleemia korral suurenenud kortikaalset mikrovaskulaarset tihedust, mis on progresseeruva neerumorfoloogilise kahjustuse varane märk [78]. Kroonilise sapijuha ligeerimisega rottidel tuvastati mikro-CT abil kortikaalne hüpoperfusioon, mis võib seletada soola- ja veepeetuse häireid haiguse edasise progresseerumisega [82]. Lisaks oli stenootilistes neerudes suurenenud oksüdatiivne stress seotud neerude mikrovaskulaarse remodelleerumisega ja ravivõimalusi pakuti välja kroonilise antioksüdantse sekkumise kaudu [83].

Mikro-CT suur eelis on see, et saab määratleda veresoonte süsteemide aksiaalset ja radiaalset geomeetriat [84]. Lisaks neeru veresoonte arhitektuuri visualiseerimisele 3D-s saab hinnata mikroveresoonte ruumilist tihedust [78, 83], veresoonte tihedust ja suurust saab määrata kuni 80 µm läbimõõduga erinevates anatoomilistes neerukambrites [77, 78, 83, 85 ] ja võib täheldada veresoonte käänulisust [83]. Lisaks saab ajukoores eristada ja kvantifitseerida glomerulite veresoonte kapillaaride mahtu ja ka peritubulaarseid kapillaare [82].

Standardiseeritud kvantifitseerimisprotokolli on laialdaselt kasutatud mikrovaskulaarsete muutuste uurimiseks täpselt määratletud kortikaalsetes ja medullaarsetes sektsioonides struktuursel tasandil, et määrata veresoonte tihedus ja diameeter [77, 82]. Ngo et al. [84] viisid läbi mikro-CT ja valgusmikroskoopia võrdlusuuringu ning jõudsid järeldusele, et mikro-CT abil saadud neeruveresoonkonna geomeetria kvantifitseerimine on teostatav ja täpne tehnika. Valgusmikroskoopilise pildistamise ainus lisaväärtus võrreldes mikro-CT-ga on see, et see võimaldab veresoonte seina visualiseerimise võimaluse kaudu eristada artereid ja veene. Kuid mikro-CT-ga saab 3D-s visualiseerida vastavalt rottide ja küülikute artereid läbimõõduga 100 ja 60 µm. Kuid väikeseid veresooni, mis on väiksemad kui 10 µm, ei saa mikro-CT abil õigesti tuvastada, mistõttu on vaja naasta immunohistokeemia juurde, et püüda kinni ka kõige väiksemad neerukapillaarid [85].

4.1.2. Valguslehe fluorestsentsmikroskoopia (LSFM)

Valguslehtfluorestsentsmikroskoopia (LSFM) kasutuselevõtuga on tänapäeval võimalik saavutada suurte mahtude kõrge eraldusvõimega pildistamist mõistliku aja jooksul [86,87]. LSFM-i kättesaadavuse tõttu nihkus huvi rutiinselt rakendatavatelt tavapärastelt histoloogilistelt meetoditelt, mis hõlmavad koe lõikamist, millele järgnes mikrovaskulatuuri värvimine, koe kui terviku pildistamise suunas. Mahuline analüüs on soodne, kuna mitte ainult ei uurita koe valitud osa, vaid 3D-vaates säilitatakse ka veresoonte arhitektuuri ja käitumise dünaamiline iseloom.

3D-teabe säilitamiseks muudetakse bioloogiline proov läbipaistvaks erinevate optiliste kudede puhastamise (OTC) protokollide abil, et minimeerida valguse hajumist ja valguse neeldumist edasiseks FL-fluorestsentsvärvimiseks [87]. Viimastel aastatel on OTC-meetodid populaarsust kogunud, kuna 3D-pildistamine annab võimaluse uurida terveid elundeid tänu LSFM-i kaasaegsetele edusammudele. Terve elundi või isegi terve looma konstrueerimine rakutasandil eraldusvõimega 3D-s on saavutatav mõne minutiga [88]. Konfokaalse FL fluorestsentsmikroskoopiaga võrreldava eraldusvõimega LSFM-il on aga kaks suurusjärku parem signaali-müra suhe, mis vähendab dramaatiliselt FL fluorofoori pleegitamist ja fototoksilisust, võimaldades OTC jaoks vajalikku suuremahulist pilditöötlust [89]. Täiendavad eelised on see, et salvestatud kaadrite arv ja salvestuskiirus on suuremad, samas kui üldine pildistamise kestus on palju lühem.

Alates LSFM-i kasutuselevõtust on mitmeid OTC-protokolle täiustatud ja viimistletud erinevate koeproovide ja mitmest liigist saadud elundite jaoks. Viimastel aastatel on mittetoksilist lahustipõhist puhastamist etüültsinnamaadiga (ECi) laialdaselt kasutatud hiire neerude puhastamiseks [88, 90, 91]. See protokoll on vähem aeganõudev, nagu näiteks teedrajavad protokollid CLARITY (selge lipiididega vahetatud akrüülamiidiga hübridiseeritud jäik kujutis), CUBIC (selged, takistusteta aju/keha pildistamise kokteilid ja arvutusanalüüs) ja/või DISCO (kolmemõõtmeline pildistamine). lahustiga puhastatud elundid), kuid see pakub suhteliselt mõistlikku neeru puhastamist vähese autofluorestsentsi järel. Märkimisväärset tööd tegid Ertürk ja kolleegid [92], kes puhastasid edukalt terve inimese neeru uue koe läbilaskvuse meetodiga, mida nimetatakse SHANELiks (väikeste mitsellide vahendatud inimorganite tõhus puhastamine ja märgistamine). Määrati, et ajukoore tsooni mõõtmed olid umbes 2742 ± 665 mm (keskmine ± SD), mis sisaldasid glomerulaarseid kapillaare läbimõõduga 221 ± 37 mm ja aferentse arteriooli läbimõõt oli 71 ± 28 mm. Lisaks on neuroteaduse valdkonnas välja töötatud väga keerukas sügaval õppimisel põhinev raamistik neuronaalse veresoonkonna kvantifitseerimiseks pärast OTC-d, mida nimetatakse VesSAP-iks (veresoonte segmenteerimise ja analüüsi torujuhtmeks) [93].

Hoolimata asjaolust, et viimastel aastatel on OTC valdkonnas tehtud palju suuri edusamme, on mõned puudused siiski alles, kuna endogeensete FL-fluorofooride ekspressioon ei ole enamasti rahuldavalt säilinud, piirates transgeensete loomade kasutamist. Peamine probleem on aga see, et koe ja sellest tulenevalt ka veresoonkonna morfoloogilist suurust muudavad OTC jaoks vajalikud karmid lahustid. Lisaks on LSFM-i toodetud tohutu hulk andmeid endiselt väljakutseks mitte ainult andmete nõuetekohase salvestamise ja käitlemise, vaid ka kvantitatiivse analüüsi jaoks [87].

Lühidalt, üks oluline eelis selliste tehnikate nagu mikro-CT või SFM rakendamisel on see, et veresoonte ruumilist jaotust saab jäädvustada ja vaskulaarvõrgu struktuurne haruldane eraldusvõime tuvastatakse sobiva eraldusvõimega, et kujutada peaaegu kõiki neerukapillaaride struktuure. Mõlemad tehnikad nõuavad siiski fikseerimist ja seetõttu saab neid teostada ainult ex vivo. Neerude mikroveresoonkonna morfoloogiliste ja funktsionaalsete muutuste jälgimiseks on soovitav kasutada in vivo aja kuvamisstrateegiaid.

4.2. In Vivo

In vivo pildistamisviiside rakendamine annaks võimaluse hinnata rakupõhist ravi reaalajas ja valideerida võimalikke terapeutilisi toimeid veresoonte tasandil. Sellest tulenevalt nõuavad edusammud in vivo biomeditsiinilise pildistamise valdkonnas MSC-põhiste mõjude uurimist neerude veresoonkonnale. Ainult hulk uuringuid on rakendanud in vivo pildistamist MSC toime uurimiseks, kasutades multifotonmikroskoopiat (MPM) [94], CT-d [95, 96] ja magnetresonantstomograafiat (MRI) [95–97].

4.2.1. Mitmefotoni mikroskoopia (MPM)

Multifotoonmikroskoopia (MPM) sõltub kahe või enama footoni samaaegsest neeldumisest ainult fookustasandil, mis sai kättesaadavaks 1995. aastal [98]. Dünaamilisi protsesse saab visualiseerida in vivo rakutasandil ning lisaks neeruveresoonkonna verevoolu uurimisele [63] pakub MPM võimalust jälgida erinevaid neeru mikrovaskulaarseid segmente reaalajas. Kõrge eraldusvõime võimaldab visualiseerida aferentseid ja efferentseid arterioole ning glomerulaarkapillaare. Kuigi medullaarsele mikrotsirkulatsioonile on tehniliselt võimalik pääseda, jääb see siiski väljakutseks läbitungimissügavuse tõttu [98]. Siiski on võimalik visualiseerida kogu glomerulus ligikaudu 100 µm läbimõõduga ja saada juurdepääs dünaamilistele protsessidele raku tasandil.

Oluline on see, et in vivo mikrovaskulaarset leket saab visualiseerida ja kvantifitseerida MPM-i abil fibrootilistes neerudes Evansi sinise ekstravasatsiooni kaudu [99]. Perfuseeritud kapillaaride arv kvantifitseeriti ja läbimõõt määrati palju alla 10 µm. Hiljuti rakendas meie uurimisrühm MPM-i, et saada in vivo tõendeid selle kohta, et inimese pluripotentsetest tüvirakkudest (hPSC) pärinevad neeruorganoidid moodustasid pärast neeru subkapsulaarset siirdamist hiirtel funktsionaalse ühenduse olemasoleva neeruveresoonkonnaga [100, 101].

MPM-i eelised on fookusest väljas FL fluorestsentsi puudumine ja piiratud fotovalgendamine fookuspiirkonnas [98]. Üks puudusi on aga piiratud pildistamise sügavus, mis nõuab kõhupiirkonna kuvamisakna kasutamist neeruveresoonkonnale in vivo juurdepääsuks [102,103]. See kõhuõõne aken võimaldab in vivo pildistamist mitme nädala kuni ühe kuu jooksul; sellise pildiakna sisestamine nõuab aga invasiivset operatsiooni ja on seotud põletiku võimalusega. Lisaks kaovad mõnikord pildiaknad ja võib tekkida kudede nekroos [102]. Ilmselgelt ei ole see pildistamisviis kliinilises praktikas tõlgitav.

Huvitav alternatiiv kapillaarverevoolu mitteinvasiivseks jälgimiseks voodi kõrval on saavutatav alates käeshoitava elutähtsa mikroskoopia (HVM) kasutuselevõtust kliinilises praktikas [104]. Kuigi see pildistamisviis põhineb täiesti erineval tehnoloogial, st külgvoolu- ja intsidendi tumevälja videomikroskoobidel, pakub see pindmiste kapillaaride reaalajas hinnangut. Uued kliiniliselt rakendatud algoritmid, mida tuntakse tarkvarapakettidena MicroTools, võimaldavad automaatset mikrovaskulaarset kuvamisanalüüsi kogu ja perfuseeritud veresoonte tiheduse kohta, et saada juurdepääs angiogeneesile, veresoonte laienemisele/konstriktsioonile ja vedeliku tasakaalule, samuti hapniku kohaletoimetamise võimele, mis põhineb kapillaaride hematokritil ja erütrotsüütide kiirusel [105]. ]. Neerude mikroveresoonkonna uurimiseks ei sobi need meetodid aga nende piiratud läbitungimissügavuse tõttu.

4.2.2. Kompuutertomograafia (CT)

Mitteinvasiivsed pildistamisviisid, mis on võimelised jälgima ja kvantifitseerima neeru mikroveresoonkonna morfoloogilisi ja funktsionaalseid muutusi, on väga nõudlikud, et määrata kindlaks mikroveresoonkonna roll haiguse progresseerumisel krooniliseks neeruhaiguseks. Kuigi põhjuslikku seost kapillaaride harvendamise ja neerufibroosi progresseerumise vahel on tuvastatud juba aastaid, on Ehling et al. [3] olid esimesed, kes tegid kroonilise neeruhaiguse progresseerumise ajal anatoomiliste ja funktsionaalsete veresoonte muutuste mitteinvasiivseid kvalitatiivseid ja kvantitatiivseid analüüse. In vivo kontrastainega mikro-CT-ga on täheldatud neerude veremahu progresseeruvat vähenemist kolmel progresseeruva neerufifibroosiga hiiremudelil, st isheemia-reperfusioonikahjustus (IRI), ühepoolne kusejuha obstruktsioon ja Alport hiirtel. Lisaks mikroveresoonte funktsionaalsetele muutustele korreleerus peritubulaarne veresoonte kadu fibrootilise koe moodustumisega kõigis kolmes CKD hiiremudelis. Kuid selleks, et saada teavet hargnemispunktide, veresoone läbimõõdu ja käänulisuse kohta, oli vaja ex vivo mikro-CT-d, mis viitab vajadusele tekkivate biomeditsiiniliste kuvamistehnoloogiate järele, mis võimaldaksid juurdepääsu mikroveresoontele in vivo rakulähedase eraldusvõimega.

CT suur eelis on see, et neeruveresoonkonna visualiseerimine saadakse mõne minuti jooksul mõistliku eraldusvõimega, pakkudes 3D-teavet veresoonte korralduse kohta. Joodipõhiseid kontrastaineid kasutades suurendatakse kontrasti ja saavutatakse veelgi üksikasjalikum mikroveresoonkonna kujutis. Hiljuti täpsustati hiire neerude kvalitatiivset ja kvantitatiivset hindamist mikro-CT abil füsioloogilistes ja patoloogilistes tingimustes fosfovolframhappe (PTA) perfuseerimisega, et suurendada veresoonte kontrasti [106]. Kuigi piirang, et artereid ja veene ei saanud üksteisest selgelt eristada, hõlmas eraldusvõime voksli suurusega 40 µm in vivo ja voksli suurusega 12, 5 µm ex vivo organisatsiooni kuni kaarekujuliste veresoonte tasemeni.

Neeruhaiguste jälgimiseks kasutatava CT kasutamise teine ​​suur puudus on siiski vajadus kasutada jodeeritud radiograafilisi kontrastaineid. Need kontrastained põhjustavad teadaolevalt nefrotoksilisust, mis on vastunäidustuseks kliiniliseks kasutamiseks olemasoleva neerukahjustusega patsientidel [107–109]. Manustatud kontrastainest tingitud äge neerukahjustus muudab neerude hemodünaamikat ja põhjustab medullaarset hüpoksiat, mis on eriti ebasoovitav neerude mikrovaskulaarse harvestumise uurimisel. Samamoodi elimineeruvad MRT-s laialdaselt kasutatavad gadoliiniumipõhised kontrastained neerude kaudu ja näivad põhjustavat neerukahjustust [110].

4.2.3. Magnetresonantstomograafia (MRI)

MRI võeti kliinilises praktikas kasutusele 1980. aastatel ja sellest sai kohe üks enimkasutatavaid pildistamismeetodeid [111]. MRI on mitteinvasiivne ja mitteioniseeriv pildistamismeetod, mis rakendab tugevat magnetvälja ning kasutades kontrastaine T1 ja T2 muutust, saab tuvastada vere lõdvestavaid omadusi. Lisaks visualiseerib magnetresonantsangiograafia (MRA) väikeste loomade veresoonte arhitektuuri, kasutades gadoliiniumipõhist kontrastainet. MRA peamiseks puuduseks on aga vajaliku kontrastaine raske kasutamine. Õnneks saab neerude perfusiooni määrata nii kontrastainetega kui ka ilma, mis pakuvad nii eeliseid kui ka piiranguid [112].

Ilma kontrastainet kasutamata kasutab spin-märgistamine endogeenset vett difundeeruva märgistusainena, mis võimaldab kvantifitseerida ainult neerukoore perfusiooni, kuna medullaarne transiidiaeg on liiga pikk, et seda kinni püüda. Veelgi enam, neerude verevoolu määramiseks mõõdetakse spinnide faasinihkeid ühes suunas, mis tähendab, et täpse mõõtmise saavutamiseks on vaja huvipakkuvate arterite suhtes risti asetsevat pilditasapinda [112]. Seetõttu pole üllatav, et see tehnika pakub neeruarterite visualiseerimisel suure väljakutse, rääkimata väikestest kortikaalsetest kapillaaridest.

Veresoonte funktsionaalsust saab määrata, kvantifitseerides RBF-i MR-perfusiooni abil ja jälgides hapnikusisaldust vere hapnikutasemest sõltuva kontrasti (BOLD) kujutise abil [112, 113]. Funktsionaalse MRI peamiseks piiranguks on aga usaldusväärsete ja reprodutseeritavate tulemuste saavutamine elundites, mida mõjutavad hingamisliigutused, sealhulgas neerud, kuigi see on liikumisartefaktidele vähem vastuvõtlik kui maks või sool [112]. Hoolimata asjaolust, et 1,5 Tesla funktsionaalse MRI-ga teostatud teostatavusuuringud pakkusid vokslipõhise kvantifitseerimise tegemisel palju lubadusi [114], võis perfusioonihäireid tuvastada ainult patoloogilistes piirkondades, mis tõstatab küsimuse, kas väikesed vaskulaarsed muutused tuvastatakse piisavalt. 3.{13}} Tesla magnetvälja tugevusega MRI-skanneri kasutuselevõtuga paranes signaali-müra suhe tohutult [115 116], kuid saavutatud eraldusvõime jääb probleemiks.

MRI pakutav eraldusvõime sõltub peamiselt magnetvälja tugevusest ja seda saab optimeerida mis tahes antud magnetvälja jaoks, kohandades impulssjärjestusi [111]. Ruumilist eraldusvõimet piirab peamiselt signaali-müra suhe, mis nõuab kiiret kogumisaega ja saavutab üldiselt pikslisuuruses eraldusvõime 3 × 4 mm [117]. Isegi kui rakendatakse suurt 7 Tesla magnetvälja, on BOLD-ga saavutatav parim eraldusvõime umbes 500 µm. Lisaks ebarahuldavale eraldusvõimele ja enamiku dünaamiliste protsesside visualiseerimise piirangule on veel üks suur puudus see, et MRI on seotud kõrgete kuludega ning nõuab spetsiaalseid seadmeid ja hooldust.

4.2.4. Ultraheli

Ultraheli edusammud tõid kaasa paradigma muutuse neerude struktuursete ja funktsionaalsete mikrovaskulaarsete muutuste mitteinvasiivsel jälgimisel ja avasid uusi võimalusi kaasaskantava süsteemiga väikeste veresoonte uurimiseks suhteliselt madalate kuludega. Ühe tunni jooksul raskest hüpoperfusioonist põhjustatud ägeda isheemia rotimudelis hinnati neerude verevoolu reaalajas, kasutades värvi- ja impulsslaine (PW) Doppleri ultraheli [118]. Värviline Doppleri kujutis näitas ka kaarekujuliste arterite visualiseerimise raskusi nende suhteliselt väikese suuruse ja sondi risti asetsemise tõttu, et tabada vere kiiruse arvutamiseks ja Doppleri nurga korrigeerimiseks vajalikku arterivoolu. Vere kiirust sai aga arvutada ainult intrarenaalsetes arterites, st segmentaalsetes, interlobaarsetes ja kaarekujulistes arterites. Seetõttu ei olnud tavapärase ultraheli eraldusvõime piirangu tõttu võimalik saada teavet mikrotsirkulatsiooni kohta.

Ülikiire Doppleri ultrahelitehnoloogia kasutuselevõtuga saab suurema eraldusvõime saavutada fokuseerimata laineülekandega, mis saadab mitut sünkroonset laineid suure kaadrisagedusega samaaegselt ühes terves vaateväljas, selle asemel, et skaneerida rida rea ​​kohta. fokuseeritud kiire edastamine [119]. See tasapinnaline laine ülekanne on ülikiire Doppleri ultrahelikujutise põhikontseptsioon ja võimaldab tuvastada siirdatud inimese neeru kortikaalseid veresooni, mille läbimõõt on alla 1 mm [120]. Lisaks pakub ülikiire Doppleri ultraheli väga soodsat in vivo tehnikat neerude mikrovaskulaarse harulduse jälgimiseks prekliinilistes uuringutes (joonis 3A). Vaatamata ülikiire Doppleri ultraheli edusammudele sõltub ligipääs kapillaartasemele ikkagi kontrastainega ainete kasutamisele [121]. Sellegipoolest ei ole Doppleri ultraheli jaoks kontrastaine kasutamisel mingeid mainimist väärt ohutusprobleeme, eriti võrreldes CT ja MRI kontrastainetega, mis sageli näitavad nefrotoksilisust [122]. Hiire neeruveresoonkonna uskumatut eraldusvõimet saab aga saavutada in vivo (joonis 3B).

Ultraheli lokaliseerimise mikroskoopia (ULM) lahendas kompromissi ruumilise eraldusvõime ja läbitungimissügavuse vahel, kasutades ühelt poolt ülikiire Doppleri ultrahelikujutist ja teisest küljest kasutades ultraheli kontrastaineid gaasiga täidetud mikromullide kujul. [121,123,124]. Muuhulgas Errico jt. [123] tegi ULM-i ettepaneku 10 µm läbimõõduga kraniaalsete mikroveresoonte pildistamiseks kogu hiire aju sügavusel, mis on ligikaudu 10 mm paksune. Hiljutises väljaandes on Demené et al. [125] võiks tabada tserebrovaskulaarse verevoolu dünaamikat mikroskoopilisel tasemel sügaval inimese ajus, jälgides individuaalselt intravenoosselt süstitud mikromulle, et parandada ülieraldusvõimega kujutist ja võimaldada veresoonte eraldusvõimet kuni 25 µm. Selle hämmastava saavutuse mõistmiseks on oluline mainida, et ükski teine ​​​​mitteinvasiivne pildistamisviis ei suuda mikrovaskulatuuri in vivo visualiseerida allpool millimeetrilist skaalat. Selle märkimisväärse ruumilise eraldusvõime saavutamiseks in vivo tuli ületada kaks peamist väljakutset: kolju aberratsioon ja liikumisartefaktid. Kuigi ULM-i rakendamist kõhuorganite, näiteks neerude puhul ei takista luustruktuuride aberratsioon, kujutavad liikumisartefaktid endast suuri raskusi. Hiljutised in vivo uuringud andsid aga edukalt esimesed katsed ULM-i abil neeruveresoonkonda kujutada [5 126 127].

Roti neerudes oli võimalik eristada erinevaid veresoonte sektsioone ja mikromullide abil suurendati eraldusvõimet, et visualiseerida vasa recta õhukesi veresoonte kimpe, mis on üksteisest eraldatud 400 µm kaugusel [5]. Lisaks on hinnatud neerude mikroveresoonte vooluga seotud vere aksiaalset kiirust, st alla 2 mm/s, jälgides süstitud 1 µm läbimõõduga mikromulle, mis võivad ulatuda veresoone läbimõõduni alla 20 µm. Song jt. [127] kujutasid küülikute neerukoore mikroveresooni ja suutsid selgelt eraldada in vivo veresooni läbimõõduga 76 µm. Kuigi hingamisteede liikumist saab korrigeerida, on tasapinnast väljas liikumise artefaktid endiselt keerulised ja neid on võimatu parandada, kuna pilditeavet ei olnud võimalik täielikult omandada [5].

Hiljuti uuriti AKI-st CKD-ks progresseerumist kontrastiga ülikiire Doppleri ultraheli abil ühepoolse IRI hiiremudelis [6]. Mikromullide süstimise abil tuvastati 32 µm väikesed neeruveresooned ja kvantifitseeriti neerude vaskulaarsed muutused, st neerude vere maht, veresoonte tihedus ja käänulisus. In vivo pildistamise ajal ultraheliga saadud ajukoore ja kortikomedullaarse ristmiku vaskulaarne tihedus oli kooskõlas CD31 immunovärvimise järel saadud kvantifitseerimisega, mida peetakse veresoonte bioloogias kuldseks standardiks. See on kooskõlas teise uuringuga, mille viisid läbi Cao jt. [128], mis näitas, et AKI raskusastet saab määrata kontrastiga ultraheli abil mikromullide süstimise abil. Neerude perfusiooni mõõtmised in vivo on tihedas korrelatsioonis histoloogilisel tasemel määratud neerukahjustusega.

Nende ultraheliuuringute kohaselt Hueper et al. [7] on varem väitnud, et neeruperfusioon võib ennustada MRI-ga määratud AKI-st CKD-ks progresseerumist.

Neerude veresoonkonna mikromullidega täiustatud ultraheliuuringut on inimestel juba edukalt tehtud neerude mikrovaskulaarse perfusiooni määramiseks ja see näitas diagnoosimisel suuri perspektiive [129–133]. Huvitav on see, et seda pildistamisviisi on kasutatud neerusiirdamisel, et määrata neeru allotransplantaatide perfusiooni staatus, mis võib anda sobiva mitteinvasiivse näidu ägeda äratõukereaktsiooni ennustamiseks [134]. Lisaks operaatorisõltuvusele, mis võib ultraheli kasutamisel olla piiranguks, oli vaatlejatevahelise kokkuleppe tugevus kahe lugeja vahel väga kõrge, mis peegeldab suurt teostatavust kliinilises keskkonnas rakendamisel [132]. Tänu teisaldatavusele ning ajasäästlikule ja lihtsale kohandatud rakendusele pakub kontrastiga mikromullidega ultraheli suurepäraseid perspektiive neerude mikroveresoonkonna hindamiseks kliinilises praktikas, eriti intensiivraviosakonna patsientidel [135]. See tehnoloogia pakub seega palju lubadusi üle kanda kliinilisse praktikasse pärast kõhu liikumise artefaktide edukat korrigeerimist, et tagada mikromullide tugev ja ülitäpne jälgimine.

5. Järeldused ja perspektiivid

Neerude veresoonte arhitektuuri silmatorkav heterogeensus peegeldab selle keerulist funktsionaalset mitmekesisust ja lahterdamist, mille loogiline tagajärg on, et mikrovaskulaarsete muutuste ja harulduse uurimine nõuab keerukaid pildistamisviise. In vivo pildistamisviiside väljatöötamine, rakendamine ja täiustamine neeru-veresoonkonna haiguste uurimiseks annab parema ülevaate rakuteraapiate, nagu MSC, toimest veresoonte tasandil ja võib selgitada spetsiifilisi biomarkereid, mida saab haiguse progresseerumise ajal jälgida.

Viited

1. Chade, AR Neerude veresoonte struktuur ja harvendamine. Compr. Physiol. 2013, 3, 817–831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Väikesed anumad, suur roll: neerude mikrotsirkulatsioon ja neerukahjustuse progresseerumine. Hüpertensioon 2017, 69, 551–563. [CrossRef] [PubMed]

3. Ehling, J.; Bábícková, J.; Gremse, F.; Klinkhammer, BM; Baetke, S.; Knochel, R.; Kiessling, F.; Floege, J.; Lammers, T.; Boor, P. Progresseeruvate neeruhaiguste vaskulaarse düsfunktsiooni kvantitatiivne mikrokompuutertomograafia. J. Am. Soc. Nephrol. 2016, 27, 520–532. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, TK; Knicely, DH; Grams, ME Kroonilise neeruhaiguse diagnoosimine ja ravi: ülevaade. Physiol. Behav. 2019, 322, 1294–1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Zhang, H.; Ilovitš, T.; Mahakian, L.; Tam, S.; Ferrara, KW Ultraheli lokaliseerimise mikroskoopia, et pildistada ja hinnata mikrovaskulatuuri roti neerudes. Sci. Rep. 2017, 7, 13662. [CrossRef] [PubMed]

6. Chen, Q.; Yu, J.; Rush, BM; Stocker, SD; Tan, RJ; Kim, K. Kidney Int. 2020, 98, 355–365. [CrossRef] [PubMed]

7. Hueper, K.; Gutberlet, M.; Rong, S.; Hartung, D.; Mengel, M.; Lu, X.; Haller, H.; Wacker, F.; Meier, M.; Gueler, F. Äge neerukahjustus: arteriaalse spinni märgistamine neeruperfusiooni kahjustuse jälgimiseks hiirtel – võrdlus histopatoloogiliste tulemuste ja neerufunktsiooniga. Radioloogia 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

8. Levy, BI; Schiffrin, EL; Mourad, JJ; Agostini, D.; Vicaut, E.; Safar, MINA; Struijker-Boudier, HA Kahjustatud kudede perfusioon on hüpertensiooni, rasvumise ja suhkurtõve puhul levinud patoloogia. Tiraaž 2008, 118, 968–976. [CrossRef]

9. Carmeliet, P.; Jain, RK Angiogeneesi molekulaarsed mehhanismid ja kliinilised rakendused. Loodus 2011, 473, 298–307. [CrossRef]

10. Molema, G.; Aird, WC veresoonte heterogeensus neerus. Semin. Nephrol. 2012, 32, 145–155. [CrossRef]

11. Armulik, A.; Abramson, A.; Betsholtz, C. Endoteeli/peritsüüdi interaktsioonid. Circ. Res. 2005, 97, 512–523. 03.16652.d7. [CrossRef]

12. Attwell, D.; Mishra, A.; Hall, CN; O'Farrell, FM; Dalkara, T. Mis on peritsüüt? J. Cereb. Verevoolu metab. 2016, 36, 451–5. [CrossRef]

13. Evans, RG; Eppel, GA; Anderson, WP; Denton, KM Neeru medulla ja ajukoore verevoolu diferentsiaalse kontrolli aluseks olevad mehhanismid. J. Hüpertensioon. 2004, 22, 1439–1451. [CrossRef]

14. Pallone, TL; Silldorff, EP; Turner, MR Intrarenaalne verevool: mikrovaskulaarne anatoomia ja medullaarse perfusiooni reguleerimine. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1998, 25, 383–392. doi:10.1111/j.{7}}.1998.tb02220.x. [CrossRef]

15. Pallone, TL; Edwards, A.; Mattson, DL Neeru medullaarne vereringe. Compr. Physiol. 2012, 2, 97–140. [CrossRef] [PubMed]

16. Guerci, P.; Ergin, B.; Ince, C. Neeru makro- ja mikrotsirkulatsioon. Parim tava. Res. Clin. Anestesiool. 2017, 31, 315–329. [CrossRef]

17. Shaw, I.; Rider, S.; Mullins, J.; Hughes, J.; Péault, B. Peritsüüdid neeruveresoonkonnas: rollid tervises ja haigustes. Nat. Rev Nephrol. 2018, 14, 521–534. [CrossRef]

18. Rosivall, L.; Peti-Peterdi, JJ Aferentse arteriooli heterogeensus – morfoloogia ja funktsiooni vahelised seosed. Nephrol. Helista. Siirdamine. 2006, 21, 2703–2707. [CrossRef]

19. Stefanska, A.; Kenyon, C.; Christian, HC; Buckley, C.; Shaw, I.; Mullins, JJ; Péault, B. Inimese neeru peritsüüdid toodavad reniini. Kidney Int. 2016, 90, 1251–1261. [CrossRef]

20. Schlondorff, DO Ülevaade progresseeruva neeruhaiguse patofüsioloogiat soodustavatest teguritest. Kidney Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

21. Pallone, TL; Zhang, Z.; Rhinehart, K. Neeru medullaarse mikrotsirkulatsiooni füsioloogia. Olen. J. Physiol. Ren. Physiol. 2003, 284, F253–66. [CrossRef] [PubMed]

22. Pallone, TL Keerulised vaskulaarsed kimbud, paksud tõusvad jäsemed ja akvaporiinid: välimise medulla väljaväänamine. Olen. J. Physiol. Ren. Physiol. 2014, 306, 505–506. [CrossRef] [PubMed]

23. Zimmerhackl, BL; Robertson, CR; Jamison, RL Medullaarne mikrotsirkulatsioon. Kidney Int. 1987, 31, 641–647. [CrossRef] [PubMed]

24. Dumas, SJ; Meta, E.; Borri, M.; Luo, Y.; Li, X.; Rabelink, TJ; Carmeliet, P. Fenotüübiline mitmekesisus ja ainevahetus. Nat. Rev Nephrol. 2021, 1.–24. [CrossRef]

25. Dumas, SJ; García-Caballero, M.; Carmeliet, P. Erinevate endoteeli fenotüüpide metaboolsed signatuurid. Trends Endokrinool. Metab. 2020, 31, 580–595. [CrossRef]

26. Jourde-Chiche, N.; Fakhouri, F.; Dou, L.; Bellini, J.; Burley, S.; Formaat, M.; Jarrot, PA; Kaplanski, G.; Le Quintrec, M.; Pernin, V.; et al. Endoteeli struktuur ja funktsioon neerude tervise ja haiguste korral. Nat. Rev Nephrol. 2019, 15, 87–108. [CrossRef]

27. Long, DA; Norman, JT; Hea, LG Neeru mikroveresoonkonna taastamine kroonilise neeruhaiguse raviks. Nat. Rev Nephrol. 2012, 8, 244–250. [CrossRef]

28. Choi, YJ; Chakraborty, S.; Nguyen, V.; Nguyen, C.; Kim, BK; Shim, SI; Suki, WN; Truong, LD Peritubulaarset kapillaaride kaotust seostatakse kroonilise tubulointerstitsiaalse kahjustusega inimese neerudes: vaskulaarse endoteeli kasvufaktori ekspressiooni muutus. Humm. Pathol. 2000, 31, 1491–1497. [CrossRef]

29. Ishii, Y.; Sawada, T.; Kubota, K.; Fuchinoue, S.; Teraoka, S.; Shimizu, A. Peritubulaarsete kapillaaride vigastus ja progresseeruv kadu kroonilise allografti nefropaatia tekkes. Kidney Int. 2005, 67, 321–332. [CrossRef]

30. Serón, D.; Alexopoulos, E.; Raftery, MJ; Hartley, B.; Cameron, JS Monoklonaalsete antikehade abil hinnatud interstitsiaalsete kapillaaride ristlõigete arv: seos interstitsiaalse kahjustusega. Nephrol. Helista. Siirdamine. 1990, 5, 889–893. [CrossRef]