Einleitung
Die Forschung auf dem Gebiet der Nephrologie hat das Wohlbefinden von Menschen, die von Nierenerkrankungen betroffen sind, erheblich verbessert. Nierenerkrankungen sind jedoch nach wie vor ein großes Gesundheitsproblem, von dem mehr als 10 % der Bevölkerung betroffen sind und das weltweit für erhöhte Gesundheitskosten und Sterblichkeit verantwortlich ist1. Leider sind die genauen Mechanismen, die zu Nierenerkrankungen führen, noch nicht vollständig geklärt. Diese JoVE Methods Collection zeigt aktuelle Strategien zur Definition der Pathophysiologie der Niere. Konkret stellen die Forschungsgruppen ein neuartiges Tiermodell und Methoden zur Bewertung oder Behandlung von Nierenerkrankungen anhand von experimentellen Modellen oder klinischen Proben vor. Die in dieser Sammlung vorgestellte Arbeit ist eine weitere Reihe hervorragender Beiträge auf dem Gebiet der Nephrologie und kann in Zukunft neue Wege zur Prävention, Diagnose oder Behandlung von Nierenerkrankungen eröffnen.
Ein translationales Tiermodell für akutes Nierenversagen
Akutes Nierenversagen (AKI) ist eine häufige Form der Nierenerkrankung2. Mehrere experimentelle Modelle wurden verwendet, um die renale Ischämie/Reperfusionsschädigung (I/R)zu untersuchen 3,4,5. Die Umsetzung dieser Erkenntnisse zur Verbesserung des klinischen Umfelds hat jedoch viele Herausforderungen mit sich gebracht, da es erhebliche Unterschiede zwischen den Spezies6 gibt. Doulamis et al. entwickelten ein I/R-Modell für Schweinenieren unter Verwendung eines bilateralen Ballonkatheters, um dieses Problem zu lösen7. Ihr Modell war hochgradig reproduzierbar, führte zu einer verringerten Urinausscheidung und einer geschätzten glomerulären Filtrationsrate sowie zu erhöhten Kreatinin- und Blutharnstoffstickstoffspiegeln bei Tieren. Des Weiteren ergaben grobstoffliche und histologische Untersuchungen einen Infarkt und Blutungen in den Nieren. Dieses neue Modell ist klinisch relevant und kann zum besseren Verständnis von AKI beim Menschen beitragen.
Strategien zur Untersuchung zellulärer Mechanismen, die an Nierenerkrankungen beteiligt sind
Zytokine können zu Nierenschäden und -reparaturen beitragen8. Daher ist es wichtig, die Quelle und Rolle von Zytokinen in der Niere zu identifizieren. Taguchi et al. entwickelten eine Technik zum Verständnis der Proteinsekretion unter Verwendung von Brefeldin A (BFA), einem Proteinsekretionshemmer, in AKI und Mausmodellen für chronische Nierenerkrankungen9. Sie injizierten BFA in die Schwanzvene von Mäusen und untersuchten anschließend ihre Nieren mit Hilfe von Immunfluoreszenzfärbungen. Sie stellten fest, dass BFA die Proteinsekretion hemmt und den Aufbau von Zytokinen in bestimmten Zelltypen verursacht, indem sie zellspezifische Marker verwendeten. Dieses innovative Protokoll könnte verwendet werden, um die Proteinsekretion bei verschiedenen Nierenerkrankungen zu untersuchen.
Ein weiterer vermuteter Mechanismus, von dem angenommen wird, dass er zu Nierenerkrankungen beiträgt, sind microRNAs (miRNA)10, von denen bekannt ist, dass sie die mRNA-Transkription abbauen und hemmen. Es wurde berichtet, dass es eine Korrelation zwischen der miRNA-Expression im Gewebe und dem Serum beim Menschen gibt11. Es gibt jedoch keine Methode, um sowohl die Nieren von Mäusen als auch die Serum-miRNA zu reinigen und zu quantifizieren. Yanai et al. optimierten eine quantitative Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktionsmethode, um die miRNA-Expression in der Niere und im Serum von Mäusen mit altersabhängiger Nierenfunktionsstörung zu bewerten12. Sie stellten auch eine Korrelation zwischen beiden miRNA-Spiegeln her. Dieses Protokoll ist hochdurchsatzfähig und könnte auf viele pathologische Zustände anwendbar sein.
Neue bildgebende Verfahren zur Beurteilung von Nierenerkrankungen
Mit der nicht-invasiven Bildgebung der Niere können strukturelle und funktionelle Defekte beurteilt werden. Bei den aktuellen Methoden gibt es jedoch einige Einschränkungen. Um dies zu umgehen, entwickelten Holmes et al. ein einfaches, kostengünstiges 3D-Bildgebungsverfahren, das auf der robotischen Ultraschalltechnologie (US) basiert, um die Nieren-, Leber- und Herzfunktion zu quantifizieren13. Ihr Protokoll lieferte gleichbleibend hochwertige Bilder und konnte für Studien verwendet werden, in denen grobes Gewebe, Tumorgrößen oder der Nutzen von Therapeutika überwacht werden konnten. Die größte Stärke dieser Methode ist die hohe Ausgabe von Daten. Zum Beispiel können drei Ratten gleichzeitig oder 20-30 Mäuse pro Stunde abgebildet werden. Dieses Protokoll ist eine schnelle Alternative zu herkömmlichen nicht-invasiven Bildgebungsverfahren.
Eine andere Forschungsgruppe in der Sammlung untersuchte mithilfe von Bildgebung die einseitige Harnleiterobstruktion (UUO), ein Verletzungsmodell, das Oberflächenglomeruli induziert. Wagner et al. verwendeten intravitale Zwei-Photonen-Mikroskopie zur Überwachung der UUO bei Ratten, die Oberflächenglomeruli entwickeln, und solchen, die keine Oberflächenglomeruli entwickeln14. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie ermöglicht eine erhöhte Eindringtiefe und Untersuchung verschiedener Regionen der Niere. Die Autoren fanden heraus, dass UUO Entzündungen und Fibrose induzierte und auch den Fluss der roten Blutkörperchen in den Nieren von Ratten verringerte. Die Quantifizierung des Blutflusses, der Vasokonstriktion und der Dilatation als Reaktion auf Medikamente und Entzündungen sind einige der Vorteile, die diese Methode bietet. Zusammengenommen bieten diese Studien neue Bildgebungsstrategien zur Untersuchung verschiedener Gewebe.
Abschätzung von Nanokristallurie als Prädiktor für Nierenerkrankungen
Es wurde vorgeschlagen, dass die Beurteilung von Harnkristallen nützlich sein könnte, um das Risiko von Nierensteinen vorherzusagen15. Wir haben ein Protokoll zur Quantifizierung von Nanokristallen (≤1 μm) im Urin von gesunden Erwachsenen vor und nach dem Verzehr einer Oxalat-Ladung entwickelt, von der bekannt ist, dass sie Oxalatspiegel im Urin induziert16. Wir isolierten und analysierten calciumhaltige Nanokristalle im Urin mit Hilfe einer Calciumfluorophor- und Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA). Wir stellten fest, dass NTA spezifisch kalziumhaltige Nanokristalle im Urin nachweisen kann, und die Ergebnisse stimmten mit unseren früheren Ergebnissenüberein 17. Dieses Protokoll kann zur Untersuchung von Nanokristallen im Urin in Steinbildnern oder in verschiedenen Forschungsbereichen verwendet werden, in denen Kristallopathien auftreten.
Therapeutische Ansätze zur Behandlung von Nierenerkrankungen
Künstlich synthetisierte miRNA-Nachahmer wurden als mögliche Behandlung von Nierenerkrankungen vorgeschlagen. Die Serum-RNAase kann jedoch exogene miRNA-Nachahmungenabbauen 18. Yanai et al. stellten nicht-virale Vektoren auf Basis von linearen Polymeren, Polyethylenimin-Nanopartikeln (PEI-NPs), her, um eine miRNA-Nachahmung sicher in die Nieren von Mäusen zu bringen18. Sie bewiesen, dass die Mimik die Ziel-miRNA wirksam überexprimierte. Zu den Einschränkungen dieser Methode gehören die erhebliche Menge an PEI-NPs, die für größere Tiermodelle erforderlich ist, und die mangelnde Spezifität für die Nieren. Basierend auf dem Erfolg von RNA-Impfstoffen könnten miRNA-Nachahmer jedoch eine ideale therapeutische Option für Nierenerkrankungen sein.
Schlusswort
Die hier vorgestellte umfassende Forschungsarbeit stellt ein neues Tiermodell und neue Techniken vor, um vorherrschende Fragen der Nephrologie zu untersuchen. Es ist wichtig zu beachten, dass einige dieser Methoden auch auf andere Bereiche außerhalb der Nephrologie angewendet werden können. Der nächste logische Schritt wird darin bestehen, zu untersuchen, wie diese Methoden in größeren Tiermodellen und klinischen Studien getestet werden können. Wir hoffen, dass der Austausch dieser Protokolle unser Wissen über die Pathophysiologie der Nieren erweitern und neue Ideen zur Linderung von Nierenerkrankungen bei Einzelpersonen hervorbringen wird.