私たちは、ヒト腎臓全体を処理して一次腎近位尿細管上皮細胞を単離および培養するための最適化されたプロトコルと、これらの細胞を3次元、マイクロ流体、微生理学的プラットフォームで適用して腎近位尿細管を再現するためのプロトコールを提示します。
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方法論記事
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私たちは、ヒト腎臓全体を処理して一次腎近位尿細管上皮細胞を単離および培養するための最適化されたプロトコルと、これらの細胞を3次元、マイクロ流体、微生理学的プラットフォームで適用して腎近位尿細管を再現するためのプロトコールを提示します。
腎臓病は、3,700万人のアメリカ人を含む、世界中で8億5,000万人以上が罹患しています。慢性腎臓病の危険因子には、環境の影響、遺伝的素因、併存する病状、急性腎障害の病歴などがあります。これらの要因は、多くの場合、発症するのに数か月または数年かかるため、疾患の病因と病態生理学の縦断的研究が複雑になります。医薬品開発における疾患メカニズムの理解を深め、腎毒性予測を強化するためには、高度な腎臓モデルが必要です。腎臓の近位尿細管上皮細胞(PTEC)は、生体異物や毒素のクリアランス、および必須栄養素の再吸収に重要な役割を果たします。私たちはこれまでに、単離された一次PTECを装着した3次元(3D)微小生理学的システム(MPS)プラットフォームを使用して、腎薬物相互作用の調査、化合物の腎毒性の評価、および薬物クリアランスの予測に使用できることを実証しました。ここでは、ヒトの腎臓全体から一次PTECを単離および培養し、 in vivo 腎生理学を模倣した3D MPSプラットフォームに播種するためのプロトコルを紹介します。このプロトコルにより、PTECの生存率、生理学的形態、およびMPSデバイスにおける主要なトランスポータータンパク質の機能的分極を最大6ヶ月間サポートする長期研究が可能になります。
腎臓は、さまざまな生体異物、毒素、および内因性化合物を体から除去および排除する上で重要な役割を果たします。これは、血液をろ過して老廃物を除去し、電解質のバランス、体液レベル、pHを調節することによって達成されます。各ヒト腎臓には、腎臓の構造的および機能的単位である約100万個のネフロンが含まれています1。これらのネフロン内では、近位尿細管上皮細胞(PTEC)として知られる近位尿細管の特殊な上皮細胞が、グルコース、アミノ酸、イオンなどの必須分子を再吸収するだけでなく、薬物基質や潜在的に有毒な物質を尿中に分泌する役割を担っています2,3,4。場合によっては、PTECは尿から化合物を再吸収して血流に戻すこともあります4。ヒトの腎臓から単離された一次PTECは、薬物と毒素の相互作用に重要な役割を果たすため、腎臓の薬物間相互作用(DDI)を研究し、化合物の腎毒性を評価するための貴重なツールを提供します。
薬物誘発性腎毒性は、急性腎障害や慢性腎臓病5につながる可能性があるため、重大な臨床的課題をもたらします。したがって、薬物や毒素の腎毒性の可能性を正確に予測し、特徴付けるためには、腎臓近位尿細管の生理学をより深く理解することが不可欠です。不死化腎細胞株(RPTEC-TERT1、HK-2など)を含む従来のin vitroモデルでは、動的な層流(低レイノルズ数)とin vivoで均一な細胞外マトリックス(ECM)の下で作動するヒト近位尿細管6の複雑な構造と機能を模倣することに限界があります7,8.さらに、従来の二次元(2D)モデルは、これらのタンパク質の急速な分解と内部化のために、主要な腎トランスポーター(例えば、有機陰イオントランスポーター1および3(OAT1およびOAT3)、有機カチオントランスポーター2(OCT2))を機能的に発現できないことがよくあります6,9,10,11.動物モデルは、有益ではあるが、ヒトの腎臓生理機能を完全に再現するわけではなく、トランスポーターの発現と活性の種差により翻訳性を欠くことが多い12。例えば、mOct1はマウスPTECでは基底外側に発現しているが、ヒトでは腎臓でのOCT1の膜タンパク質発現は検出できない13,14。
微小生理学的システム(MPS)と臓器チップ技術の進歩により、研究者は、ヒトの臓器の3次元(3D)構造と動的な流体流条件を厳密に模倣したin vitroモデルを開発することが可能になった15。私たちのグループは、以前にPTEC16、17で2つのMPSモデルを特徴付け、これらのモデルを利用して毒性試験18、19、20を実施し、薬物動態を正確に予測しました21。これらのモデルで一次PTECを使用すると、in vivoで観察された機能特性を保持できるため、大きな利点があります。
ここでは、United Network for Organ Sharing(UNOS)が承認した臓器調達組織を介して死亡したドナーから入手した無傷のヒト腎臓からヒトPTECを分離し、これらの培養ヒトPTECをMPSプラットフォーム内で適用するためのプロトコルを紹介します。
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すべての作業は、ワシントン大学のヒト組織の取り扱いガイドラインに準拠して行われました。適切なドナーは、次の要件を満たしています: 寒冷虚血時間 (CIT) が 36 時間未満であること、腎臓病、透析、またはその他の病状 (例: 1 型または 2 型糖尿病、B 型肝炎、C 型肝炎、ヒト免疫不全ウイルス (HIV)、ウイルス性/細菌性髄膜炎、メチシリン耐性 黄色ブドウ球 菌感染症、梅毒、敗血症、または Covid-19)。この研究で使用された全ヒト腎臓は、UNOSが承認したOPOを通じて供給されました。
1.バイオセーフティキャビネットの準備
2.腎臓の前処理の準備
3. 腎臓全体からのPTECの分離
4. メディアの変更
5. PTECの継代
6. 凍結保存PTECs
7. PTECの解凍
8. MPSデバイスをI型コラーゲンマトリックスでコーティングする
9. MPSデバイスのECMとしてIV型コラーゲンを使用した管状内腔の作成
10. MPSデバイスでのプライマリPTECのシード
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2D培養における単離された初代PTECの経時的な形態と合流性
腎皮質からの分離後、PTECは最初の培地交換の前に少なくとも48時間邪魔されずに成長することを許可されました。細胞を培養してから約1週間後、PTECの小さなバッチが培養フラスコ全体に現れ、均一な上皮の丸石のような形態になります(図1A、B)。さまざまなドナーからのPTECの成長率にもよりますが、培養10日後(平均)に細胞の密度は約50%〜60%に達するはずです(図1C)。培養で約14日後、細胞は完全なコンフルエントに達し(図1D)、継代、凍結保存、またはMPSデバイスでの播種の準備が整います。平均して、人間の腎臓全体で、PTECでいっぱいのT-75フラスコを14個提供することができます。コンタミネーションを防ぐためには、無菌技術を採用し、培養期間中に培地に抗生...
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MPS(Organ-on-a-chip)技術は、ヒトの生理学の重要な側面を再現するための非常に関連性の高い in vitro プラットフォームを提供し、それによって医薬品開発や毒物学的評価における動物モデルへの依存を減らします。最近、FDA近代化法2.0(2022年)により、他の代替薬とともにMPSを治験薬申請に含めることが許可されました29。このプロトコルは、ヒト近位尿細管機能をモデル化し、生体異物に対する腎毒性学的反応を評価することを目的として、ヒトドナー皮質組織からのPTECの解離とその後のMPSプラットフォームでの使用に関する標準的な操作手順を詳述しています(図2)。
高いPTEC生存率を維持するための重要な要素は、温虚血時間(WIT)を最小限に抑えることです。WITが1時間未満の腎臓の使用をお勧めします。24時間未満のCITが理想的ですが、腎臓の利用可能性が限られている場合は、最大...
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著者らは、この研究に関連する利益相反や財務開示がないことを宣言します。
この作業の一部は、NASAの契約80ARC023CA001、National Center for Advancing Translational Sciences(NCATS)(U2CTR004867、UH3TR000504、UG3TR002158)、NCATSとCenter for the Advancement of Science in Space(CASIS)(UG3TR002178、National Institute of Environmental Health Sciences(NIEHS)(P30ES00703)、National Institute of General Medical Sciences(T32GM007750)が共同で提供した、Northwest Kidney CentersからKidney Researchへの無制限の寄贈により支援されましたInstitute、およびワシントン大学薬学部(Ji-Ping Wang AwardおよびBradley Fellowship)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1 mL ルアーロク先端注射器 | ベクトン、ディキンソン | 309628 | |
| 1.5 mLマイクロ遠心分離機チューブ | CELLTREATサイエンティフィックプロダクツ | 229442 | |
| 15 mL 滅菌円錐形ポリプロピレン管 | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-959-53A | |
| 3D微小生理学的装置 | ノルティス | TCC-001 | |
| 5mL ルアーロクチップ注射器 | ベクトン、ディキンソン | 309646 | |
| 50 mL 無菌円錐形ポリプロピレン管 | フィッシャー・サイエンティフィック | 12-565-271 | |
| 抗生物質・抗菌薬(100倍) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 15240062 | |
| コラーゲン酵素、タイプIV、粉末 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 17104019 | |
| D-(+)-グルコース | ミリポーアシグマ | G8270 | |
| 定義されたトリプシン阻害剤 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | R007100 | |
| ジメチル硫酸、バイオリエージェント、サーモ・サイエンティフィック・ケミカルズ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | J66650-AK | |
| ディスパーズII、粉末 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 17105041 | |
| ダルベッコs MEM(DMEM)/F-12 グルコースなし | 米国生物生命科学 | D9807-02 | |
| ダルベッコリン酸塩緩衝生理食塩水(DPBS)、カルシウム、マグネシウム | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 14040117 | |
| 胎児用牛血清(FBS)、プレミアム | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A5670701 | |
| フィンピペットF2 グッドラボラトリーピペッティング(GLP)キット | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 05-719-511 | マイクロピペット |
| フィッシャーブランド SureOne マイクロポイントピペットチップ、ユニバーサルフィット、フィルターなし | フィッシャー・サイエンティフィック | 02707407, 02707410, 02707438 | |
| 新鮮な人間の腎臓全体 | ノヴァバイオシス | https://www.novabiosis.com/research-organ-allocation-services/ | ヒト腎臓はUNOS承認のOPO(国際機関)であるノバビオーシスを通じて入手されました |
| 加湿インキュベーター(37 & deg;Cと5% CO2) | フィッシャー・サイエンティフィック | 51033556 | |
| ヒドロコルチゾン | ミリポーアシグマ | H0888 | |
| インキュベーティング軌道シェーカー | アヴァントール | 12620-946 | |
| インスリン-トランスフェリン-セレン(100X)(ITS -G) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 41400045 | |
| 内部スレッドクライオジェニックバイアル | コーニング | 430487 | |
| キムテックサイエンス・キムワイプ | キンバリー・クラーク・プロフェッショナル | 34120 | |
| ルアースタブ(鈍針)、22 G x 0.5インチ | インステック・ラボラトリーズ社 | LS22 | |
| ミディアム199、アールズソルツ(10倍) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 21180021 | |
| メガフュージ8小型ベンチトップ遠心分離機 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 75007210 | |
| 金属カプラー(鈍器) | インステック・ラボラトリーズ社 | SC 20/15 | |
| ミスター・フロスティ・フリージング・コンテナ | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 5100-0036 | |
| ニコン エクリプス Ti-S 顕微鏡 | ニコン・インストゥルメンツ | https://www.thelabworldgroup.com/product/nikon-eclipse-ti-fluorescent-microscope/ | オリジナルモデルは生産終了です。 |
| Nunc 未処理フラスコ、T-25 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 169900 | |
| ナンク未処理フラスコ、T-75 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 156800 | |
| ピペット、10 mL、目盛り、1/10 mL、滅菌 | グライナー・バイオ・ワン | 607180 | |
| シリコンチューブ、Cフレックスチューブ(内径:0.020インチ、外径:0.083インチ) | コール・パーマー | 06422-00 | |
| シングルエッジのカミソリ刃(無菌) | バイオシール | KI-205/50 | |
| 炭酸水素ナトリウム | ミリポーアシグマ | S6297 | |
| 水酸化ナトリウム | ミリポーアシグマ | S8045 | |
| PES膜を備えた無菌使い捨てフィルターユニット | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 567-0020 | |
| 組織培養処理皿、150mm x 20mm ベント | ジェネシー・サイエンティフィック | 25-203 | |
| トリプシン-EDTA(0.05%)、フェノールレッド | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 25300054 | |
| タイプIコラーゲン、ラットテール | コーニング | 354236 | |
| タイプIVコラーゲン、マウス | コーニング | 354233 |
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