Strategien der Stamm-/Vorläuferzelltherapie bei Nierenschädigung

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TEIL Ⅳ: Stamm-/Vorläuferzelle in der Niere: Eigenschaften, Homing, Koordination und Wartung

Jiewu Huang, Yaozhong Kong, Chao Xie und Lili Zhou

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• Vorkonditionierung

NachNiereVerletzung, BMSCs, EPCs, HSCs undNiereStamm-/Vorläuferzellen wandern in den verletzten Bereich, aber die lokale Mikroumgebung kann aufgrund von Ischämie, Entzündung, Sauerstoff- und Ernährungsmangel und der Hochregulierung von oxidativem Stress sowie immunologischer Abstoßung auch zu ihrer Apoptose führen. Studien haben gezeigt, dass die Funktion von EPCs und BMSCs bei CNE stark beeinträchtigt ist [200-202]. Zweifellos hängt die Wirksamkeit von Stamm-/Vorläuferzellen in erster Linie von ihrer Fähigkeit ab, in verletzte Bereiche einzuwandern, und von ihrer Überlebenszeit. Eine Strategie zur Verbesserung des Stammzell-Homing und -Überlebens erscheint notwendig.

Die Vorkonditionierung von Stammzellen ist für uns ein vielversprechender Weg. Diese Strategien umfassen Inkubation oder Co-Injektion mit Zytokinen oder chemischen Verbindungen, Hypoxie-Stimulation und genetische Modifikation [203]. Hypoxische oder Ultraschall-Vorkonditionierung, Inkubation mit TGF- 1 oder IGF-1 und Co-Injektion mit Erythropoietin können die Expression von CXCR4 in BMSCs erhöhen und das Homing der BMSCs weiter fördernNieredurch die CXCR4/SDF-1-Achse[128,168, 204-210]. Leflunomid erhöht auch die Mobilisierung von BMSCs, HSCs und EPCs im peripheren Blut und fördert ihre Migration in das BlutverletztNiere[211]. Eine hypoxische Vorkonditionierung reguliert die Expression von CXCR7 in BMSCs hoch [212] und verbessert nicht nur die BMSC-Chemotaxis, sondern verstärkt auch die Sekretion von therapeutischen löslichen Faktoren wie VEGF, IGF-1, HGF, FGF und Angiopoietin und erhöht die Zelllebensfähigkeit im verletzten Bereich [128,159,213]. Die Vorkonditionierung mit Sevofluran kann auch schützende Wirkungen auf das Überleben von BMSC haben, indem die Apoptose minimiert und der Verlust des mitochondrialen Membranpotentials wiederhergestellt wird [214]. Erythropoetin kann nicht nur die Proliferation und Nierenschutzfunktion von BMSCs verbessern [215,216], sondern auch die Nieren schützenNieredurch Verbesserung der Mobilisierung und Rekrutierung von EPCs [217,218]. Die Statin-Vorbehandlung verbessert den oxidativen Stress, hemmt die Entzündungsreaktion in der verletzten Niere, erhöht das Überleben von implantierten BMSCs [219] und erhöht auch die EPC-Rekrutierung und reduziert die Apoptose [220]. Die Vorbehandlung von BMSCs mit Melatonin verbessert ihr Überleben nach Migration in die verletzte Niere [221, 222]. Die Verabreichung von Pioglitazon könnte die Funktion von MSCs und EPCs verbessern, indem sie den Stress des endoplasmatischen Retikulums und die mitochondriale Fusion reduziert [223-226]. Eine Vorbehandlung mit dem Dipeptidylpeptidase-4-Inhibitor Sitagliptin, einem Wirkstoff für Inkretin-basierte Therapien für Typ-2-Diabetes [227], kann die EPC-Mobilisierung durch Erhöhung der SDF-1-Plasmakonzentrationen verbessern, möglicherweise eine wirksame Strategie für die Behandlung der diabetischen Nephropathie [228].

Die genetische Modifikation ist auch ein nützlicher Weg zur Vorkonditionierung, um das Homing der Stammzellen in die Niere zu verbessern. CXCR4--überexprimierende BMSCs, die durch eine Lentivirus-Infektion konstruiert wurden, haben eine stärkere Fähigkeit, sich in der Niere einzunisten, und verstärkte parakrine Wirkungen zur Produktion von HGF, BMP-7 und dem entzündungshemmenden Zytokin IL-10 [229 ]. Kallikrein-modifizierte BMSCs durch Lentivirus-Infektion haben auch stärkere antioxidative, antiapoptotische, entzündungshemmende und angiogene Wirkungen auf Nierenverletzungen [230]. MiR-let7c-überexprimierende BMSCs können mehr miR-let7c durch EVs an verletzte Nieren abgeben, weitere Verringerung der Expression von Fibrose-assoziierten Genen und Nierenfibrose [231]. MiR-126--überexprimierende BMDCs haben eine verbesserte Fähigkeit, sich in verletzten Bereichen zu bewegen, indem sie die CXCR4/SDF-1-Achse regulieren [232].

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• Anwendung von bioaktiven Molekülen, die von Stamm-/Vorläuferzellen ausgeschieden werden

Wie oben beschrieben, weisen viele Studien darauf hin, dass die von Stamm-/Vorläuferzellen ausgeschiedenen bioaktiven Moleküle auch eine wichtige Rolle bei der Wiederherstellung der Nierenfunktion spielen. Ihre Anwendung könnte mehrere Vorteile in klinischen Anwendungen haben, einschließlich der Verhinderung der direkten Erkundung der verletzten Mikroumgebung durch Stamm-/Vorläuferzellen und eines einfacheren Produktions- und Lagerungsprozesses [233]. Die Funktion von Stammzellen bei CKD ist beeinträchtigt, und allogene Stammzellen können abgestoßen werden, sodass die Verwendung von bioaktiven Molekülen, die von Stammzellen ausgeschieden werden, eine mögliche Strategie zur Überwindung dieses Problems ist. Theoretisch können zellfreie Therapien im Vergleich zur direkten Abgabe von Stammzellen eine überlegene Sicherheit aufweisen. Von BMSC abgeleitetes konditioniertes Medium fördert die Regeneration von verletztem Nierengewebe, reduziert Nierenentzündungen und Fibrose und stellt die mikrovaskuläre Struktur bei einseitiger Ureterobstruktion (UUO), 5/6-Nephrektomie und diabetischen Nephropathiemodellen wieder her[48,{{9} }]. Die Wirkung von EVs von BMSCs auf die Genesung der Niere ist ähnlich der Verabreichung mit BMSCs, daher ist die Anwendung von EVs auch eine mögliche Strategie für uns. Studien zeigen, dass allogene nierenresidente MSC-abgeleitete EVs die Apoptose verringern, die tubuläre Proliferation und Tubulusbildung verbessern und die Infiltration von Entzündungszellen in IRI- und UUO-Modellen reduzieren können [170, 237]. Außerdem können sowohl autologe als auch allogene BMSC-abgeleitete EVs die Nierenfunktion in IRI-, arzneimittelinduzierten Nephropathie-, UUO- und subtotalen Nephrektomiemodellen verbessern [169,177,178,238-241].

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• Biomaterialien

Biomaterialien, die die Migration von Stamm-/Vorläuferzellen verbessern, ihre Funktion verbessern und eine günstige Mikroumgebung bieten können, sollten ebenfalls in Betracht gezogen werden [242]. Wie oben beschrieben, weisen von Stammzellen sezernierte bioaktive Moleküle viele Vorteile bei der Wiederherstellung der Nierenfunktion auf, aber sie sind instabil und werden in vivo schnell abgebaut. Um eine bestimmte Blutkonzentration aufrechtzuerhalten, ist ein Mehrfachdosisprotokoll erforderlich. Biomaterialien wie Hydrogel, das eine kontrollierte Freisetzung bioaktiver Faktoren gewährleistet, können dieses Problem lösen [243]. Elektrofahrzeuge erfordern auch eine häufige Dosierung, da sie nach der Injektion in den Kreislauf durch das retikuloendotheliale System schnell aus dem Körper entfernt werden [244]. Die Vorkonditionierung mit Biomaterialien ist eine vielversprechende Strategie, um eine schnelle Clearance zu überwinden. Das Kombinieren oder Einwickeln von Elektrofahrzeugen in eine Biomaterialmatrix kann ihre Bioverfügbarkeit nach der Verabreichung aufrechterhalten und eine verzögerte und kontrollierte Freisetzung ermöglichen, um die therapeutische Wirksamkeit zu verbessern[159]. Hydrogele, insbesondere modifizierte Hydrogele, könnten die Retention und Stabilität von Elektrofahrzeugen verbessern [245]. Eine Studie zeigt, dass eine Art von mesoskaligen Nanopartikeln kleine Moleküle und sogar große Biomoleküle wie DNA verpacken könnte, die nicht von der eingekapselten Fracht abhängig sind, und eine 26--fache Nierenselektivität ohne Nebenwirkungen wie Immunreaktionen sowie Leber- oder Nierenschäden aufweisen [246]. Die Vorkonditionierung mit Biomaterialien kann auch das Überleben, die Transplantation und das Homing von Stammzellen verbessern. Injizierbare Biomaterialien wie Hydrogele könnten die Retention von Stammzellen nach der Transplantation erhöhen [242]. MSC-Sphäroide, die in Arg-Gly-Asp-modifizierten Alginat-Hydrogelen eingeschlossen sind, zeigen eine verringerte Apoptose und ein erhöhtes Überleben sowie eine VEGF-Sekretion nach der Transplantation [247]. Darüber hinaus hängt das Schicksal von Stamm-/Vorläuferzellen, die sich in verletzte Bereiche einfinden, hauptsächlich von der lokalen Mikroumgebung ab. Biomaterialien könnten eine stammzellnischenähnliche Mikroumgebung für transplantierte Stamm-/Vorläuferzellen in vivo bereitstellen[159]. Die Vorkonditionierung überlebensfördernder Peptide mit einer langsam freisetzenden Kollagenmatrix kann das Überleben von BMDCs nach ischämischer Verletzung verbessern [248]. Poröse Alginat-Kryogele, eine synthetische Nische, können die parakrine Wirkung von MSCs verstärken [249]. Darüber hinaus ist die Verwendung von biomimetischem makroporösem Polyethylenglycol-Hydrogel eine wirksame Methode, um die Vermehrung von HSCs vor der Transplantation in vitro signifikant zu fördern, indem die natürliche Mikroumgebung von HSCs nachgeahmt wird [250].

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• Biotechnische Methoden

Bioengineering könnte eine potenzielle Strategie für den Ersatz verletzter Nieren in der Zukunft sein. Kitamuraet al. fanden heraus, dass Nierenstamm-/Vorläuferzellen im S3-Segment in der Lage sind, eine dreidimensionale nephronähnliche Struktur in vitro zu rekonstituieren [72]. Darüber hinaus gibt es drei Hauptprotokolle, um die Bildung menschlicher Nierenorganoide durch Nierenvorläuferzellen aus ESCs oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) zu induzieren [251]. Das erste Protokoll, das von Taguchi et al. vorgeschlagen wurde, die sich von der Analyse embryonaler renaler Vorläuferzellpopulationen inspirieren ließen, konstruiert auf Nierenvorläuferzellen basierende Nierenorganoide durch ESCs oder iPSCs [252]. Das Taguchi-Protokoll induziert ESCs oder iPSCs in Nierenvorläuferzellen, die dann Nierentubuli und glomerulusähnliche Strukturen erzeugen und nach der Transplantation effizient vaskularisiert werden [253]. Das zweite Protokoll, das sogenannte Takasato-Protokoll, verwendet eine zweidimensionale Induktion von Nierenvorläuferzellen, gefolgt von einer dreidimensionalen Kultur, wobei basierend auf der Adoption Nierenorganoide erzeugt werden, die Nephrone, Sammelrohre und Interstitium sowie Endothelzellen enthalten von ESCs oder iPSCs. Die renalen Organoide weisen eine Absorptionskapazität für Dextran auf [254-256]. Das dritte Protokoll, das Morizane-Protokoll, ist wie das Takasato-Protokoll in zweidimensionale und dreidimensionale Schritte unterteilt, erfordert jedoch weniger Zeit, um Organoide zu konstruieren, die epitheliale nephronähnliche Strukturen enthalten [257].ESCs/iPSC-abgeleitete funktionelle Niere Organoide, die aus patienteneigenen Zellen gewonnen werden können, bieten ein großes Potenzial für zukünftige Nierenersatztherapien [258]. Dennoch gibt es viele Herausforderungen, die vor der Anwendung von Nierenorganoiden beim Menschen überwunden werden müssen, einschließlich Strategien zur Verbesserung der Skalierbarkeit und Vaskularisierung von Organoiden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Zellen in Nierenorganoiden viel unreifer sind als Zellen in der erwachsenen Niere, und dass es innerhalb von Organoiden nicht zielgerichtete Nicht-Nierenzellen gibt [251].

Die Anwendung eines Gerüsts aus dezellularisierter extrazellulärer Matrix (ECM) bietet eine 3D-Umgebung, die das natürliche Gewebe nachahmt. Die Formen, die Gele, Pflaster, Schnitte, Blöcke und Beschichtungen umfassen, werden in Zukunft auch eine bedeutende Rolle in der regenerativen Medizin und im Bioengineering spielen [242]. ECM-Gerüste aus der Niere, in denen keine Zellen oder wichtige zellassoziierte Immunogene vorhanden sind Marker, aber nur eine native Nierenarchitektur und extrazelluläres Matrixprotein, schaffen eine Nische ähnlich dem natürlichen Nierengewebe, erleichtern die Rekrutierung von Stamm-/Vorläuferzellen, verstärken die Neovaskularisation und fördern die Wiederherstellung der Nierenfunktion [259,260]. dECM-Gerüste vom Schwein, Erhaltung der nativen Nierenarchitektur, extrazellulärer Komponenten und eines intakten Gefäßnetzwerks, möglicherweise eine vielversprechende Plattform für das Bioengineering der Nieren aufgrund des Nierenmangels zur Ersatzbehandlung [261]. SDS-behandelte ECM-Gerüste vom Schwein zeigen keine Zytotoxizität gegenüber primären menschlichen Nierenzellen und dämpfen die Immunreaktivität durch die gründliche Clearance von Schweinezellmaterial [262]. Eine Studie zeigt, dass nach der Implantation des porcinen dECM-Gerüsts in die Schweineniere das Gerüst leicht reperfundiert wird, den Blutdruck aufrechterhalten kann und während des Studienzeitraums ohne Blutextravasation toleriert wird. Es können jedoch auch Entzündungszellen und vollständige Thrombosen beobachtet werden [263]. In einer Studie pflanzen die Forscher Maus-ESCs in dECM-Gerüste von Rattennieren, um die Rezellularisierung und den Aufbau von Organoiden in vitro zu induzieren, und implantieren sie dann in eine uninephrektomierte Ratte . Das Ergebnis zeigt, dass diese rezellularisierten Gerüste leicht reperfundiert werden, den Blutdruck tolerieren und etwa 2 Wochen lang Urin ohne Blutverlust produzieren [264]. Obwohl die Regeneration funktionsfähiger ganzer Organe noch nicht erreicht ist und noch viele Hindernisse zu überwinden sind, wird die Kombination von Stamm-/Vorläuferzellen und ECM-Scaffolds hoffentlich eines Tages diese Herausforderungen überwinden und einen Fortschritt in der regenerativen Medizin bringen [265].

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