Die Niere spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der physiologischen Homöostase, abhängig von ihrer funktionellen Einheit. Nephrone, die Abfallprodukte ausscheiden, können die Zusammensetzung der Körperflüssigkeiten regulieren. Eine chronische Nierenerkrankung (CKD), die durch erbliche Mutationen oder andere Hochrisikofaktoren verursacht wird, entwickelt sich schließlich zu einer Niereninsuffizienz im Endstadium (ESKD)1,2. ESKD ist offenbar auf die eingeschränkte Regenerationsfähigkeit von Nephronen zurückzuführen. Daher ist eine Nierenersatztherapie erforderlich. Die gerichtete Differenzierung humaner iPS-Zellen ermöglicht die In-vitro-Generierung patientenspezifischer 3D-Nierenorganoide, die zur Untersuchung der Nierenentwicklung, zur Modellierung patientenspezifischer Erkrankungen und zur Durchführung eines nephrotoxischen Wirkstoffscreenings verwendet werden können 3,4.
Während der Embryonalentwicklung entstehen die Nieren aus dem intermediären Mesoderm (IM), das sich vom primitiven Streifen (PS) unterscheidet. Der klassische WNT-Signalweg kann eine zusätzliche Differenzierung von IM unter koordinierter Beteiligung von FGF (FGF9, FGF20) und BMP (Bmp7-Signalweg durch JNK) induzieren5,6,7. Sie produzieren zwei wichtige Zellpopulationen von nephrischen Vorläuferzellen (NPC): die Harnleiterknospe (UB) und das metanephrische Mesenchym (MM), die die Sammelkanäle bzw. das Nephron bilden 8,9. Jedes Nephron besteht aus glomerulären und tubulären Segmenten, wie den proximalen und distalen Tubuli, und der Henle-Schleife10,11. Nach der oben genannten Theorie ahmen die derzeit veröffentlichten Protokolle die Signalkaskaden und die Stimulation des Wachstumsfaktors nach, um Nierenorganoide zu induzieren 5,12.
In den letzten Jahren wurden viele Protokolle entwickelt, um humane iPS-Zellen in Nierenorganoide zu differenzieren 5,6,7,12. Takasato et al.7 optimierten die Dauer der CHIR-Behandlung (WNT-Agonist) vor dem Ersatz durch FGF9. Gemäß ihrem Protokoll ist eine CHIR-Exposition für 4 Tage, gefolgt von FGF9 für 3 Tage, der effektivste Weg, um IM von iPS-Zellen zu induzieren. Transwell-Filter wurden als Kulturformat in ihrem Verfahren verwendet; Für Anfänger ist diese Methode jedoch schwierig. Daher versuchten Kumar et al.13, das Kulturformat zu ändern und entschieden sich, die Kultur auszusetzen. Sie dissoziierten die adhärenten Zellen an Tag 7 für die Aussaat in niedrig adhärenten Platten, um ihnen zu helfen, sich zu Embryoidkörpern (EBs) zusammenzusetzen, die nephronähnliche Strukturen enthalten. Der Batch-Effekt dieser Methoden war jedoch offensichtlich, insbesondere in verschiedenen iPS-Systemen. Darüber hinaus wurde in der Literatur berichtet, dass die Konzentration von CHIR zwischen 7 μM und 12 μM variierte 5,13,14.
Wir spekulierten, dass die Konzentration der Zelldichte und der CHIR die Bildung von Organoiden in verschiedenen iPS-Zellen beeinflussen könnte, und dies wurde in unseren Experimenten mehrfach bestätigt. Das vorliegende Protokoll hat die Studienmethode von Kumar et al.13 leicht modifiziert und den Anwendern ein Schritt-für-Schritt-Verfahren an die Hand gegeben. Der Zeitplan und das Schema des Ansatzes sind in Abbildung 1 dargestellt.