Nieuwe translationele benaderingen om nierziekte te bestuderen

Emma Laurence; Parveen Kumar; Tanecia Mitchell

doi:10.3791/64711

Methodenartikel

Nieuwe translationele benaderingen om nierziekte te bestuderen

2.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/64711

⸱

30 augustus 2022

Emma Laurence¹ , Parveen Kumar¹ , Tanecia Mitchell¹

¹Department of Urology, University of Alabama at Birmingham

In dit artikel

Samenvatting

BESPROKEN ARTIKELEN:

Kumar, P., Bell, A., Mitchell, T., Schatting van urinaire nanokristallen bij mensen met behulp van calciumfluorofoorlabeling en nanoparticle tracking analyse. Journal of Visualized Experiments. (168), e62192 (2021).

Doulamis, I. P. et al. Een groot dierenmodel voor acute nierbeschadiging door tijdelijke bilaterale nierarteriosocclusie. Journal of Visualized Experiments. (168), e62230 (2021).

Taguchi, K., Sugahara, S., Elias, B. C., Brooks, C. R. Identificatie van de bron van uitgescheiden eiwitten in de nier door brefeldine A-injectie. Journal of Visualized Experiments. (177), e63178 (2021).

Yanai, K. et al. Kwantitatieve real-time polymerasekettingreactie evaluatie van microRNA-expressie in nier en serum van muizen met leeftijdsafhankelijke nierinsufficiëntie. Journal of Visualized Experiments. (182), e63258 (2022).

Holmes, H. L. et al. Gebruik van 3D robotische echografie voor in vivo analyse van muizennieren. Journal of Visualized Experiments. (174), e62682 (2021).

Yanai, K., Kaneko, S., Ishii, H., Aomatsu, A., Morishita, Y. Levering van exogeen kunstmatig gesynthetiseerd miRNA-nabootser naar de nier met behulp van polyethyleenimidenanoparticles in verschillende muizenmodellen van nierziekte. Journal of Visualized Experiments. (183), e63302 (2022).

Wagner, M. C., Sandoval, R. M., Campos-Bilderback, S. B., Molitoris, B. A. Het gebruik van 2-fotonmicroscopie om de effecten van chronische unilateraal ureterale obstructie op glomerulaire processen te kwantificeren. Journal of Visualized Experiments. (181), e63329 (2022).

Redactioneel

Inleiding
Onderzoek binnen het veld van de nefrologie heeft het welzijn van personen die getroffen zijn door nierziekten aanzienlijk verbeterd. Niettemin is nierschade nog steeds een groot gezondheidszorgprobleem dat meer dan 10% van de bevolking treft en verantwoordelijk is voor verhoogde gezondheidszorgkosten en sterfte wereldwijd¹. Helaas zijn de precieze mechanismen die tot nierziekten leiden, nog niet volledig opgehelderd. Deze JoVE Methods Collection belicht recente strategieën om nierpathofysiologie te definiëren. Specifiek presenteren de onderzoeksgroepen een nieuw diermodel en methoden om nierziekten te evalueren of te behandelen met behulp van experimentele modellen of klinische monsters. Het werk dat in deze collectie wordt gepresenteerd, is een andere reeks uitstekende bijdragen aan het veld van de nefrologie en kan nieuwe wegen bieden om nierschade in de toekomst te voorkomen, diagnosticeren of behandelen.

Een translationeel diermodel van acute nierbeschadiging
Acute nierbeschadiging (AKI) is een veelvoorkomende vorm van nierziekte². Er zijn verschillende experimentele modellen gebruikt om renale ischemie/reperfusie (I/R)-schade te bestuderen³^,⁴^,⁵. Het vertalen van deze bevindingen om de klinische setting te verbeteren, heeft echter veel uitdagingen opgeleverd omdat er aanzienlijke verschillen zijn tussen soorten⁶. Doulamis et al. ontwikkelden een varkensnier I/R model met behulp van een bilaterale ballonkatheter om dit probleem aan te pakken⁷. Hun model was zeer reproduceerbaar, veroorzaakte verminderde urineproductie en geschatte glomerulaire filtratiesnelheid, en verhoogde plasmacreatinine en bloedureumstikstofniveaus bij dieren. Verder, macroscopisch weefsel en histologisch onderzoek onthulde infarct en bloeding binnen de nieren. Dit nieuwe model is klinisch relevant en kan helpen bij het verder begrijpen van AKI bij mensen.

Strategieën om cellulaire mechanismen die betrokken zijn bij nierziekten te onderzoeken
Cytokinen kunnen bijdragen aan nierbeschadiging en -herstel⁸. Daarom is het belangrijk om de bron en rol van cytokinen binnen de nier te identificeren. Taguchi et al. ontwikkelden een techniek om eiwitsecretie te begrijpen met behulp van brefeldin A (BFA), een eiwitsecretieremmer, in AKI en chronische nierziekte muismodellen⁹. Ze injecteerden BFA in de staarvene van muizen en evalueerden vervolgens hun nieren met behulp van immunofluorescentiekleuring. Ze bepaalden dat BFA eiwitsecretie remmde en cytokine-ophoping veroorzaakte in bepaalde celtypen met behulp van celspecifieke markers. Dit innovatieve protocol zou kunnen worden gebruikt om eiwitsecretie in verschillende nierpathologieën te bestuderen.

Een ander voorgesteld mechanisme waarvan wordt gedacht dat het bijdraagt aan nierziekte is microRNA (miRNA)¹⁰, die bekend staan als mRNA-transcriptie te degraderen en te remmen. Er is gemeld dat er een correlatie is tussen miRNA-expressie in weefsel en serum bij mensen¹¹. Er is echter geen methode om zowel muisnieren als serum miRNA te zuiveren en te kwantificeren. Yanai et al. optimaliseerden een kwantitatieve real-time polymerasekettingreactiemethode om miRNA-expressie in de nier en serum van muizen met leeftijdsafhankelijke nierinsufficiëntie te evalueren¹². Ze vestigden ook een correlatie tussen beide miRNA-niveaus. Dit protocol is hoogdoorvoerig en kan toepasbaar zijn op veel pathologische aandoeningen.

Nieuwe beeldvormingstechnieken om nierziekte te evalueren
Niet-invasieve beeldvorming van de nier kan structurele en functionele defecten beoordelen. Er zijn echter enkele beperkingen met de huidige methoden. Om dit te omzeilen, ontwikkelden Holmes et al. een eenvoudige, kosteneffectieve 3D-beeldvormingstechniek op basis van robotische echografie (US) technologie om nier-, lever- en hartfunctie te kwantificeren¹³. Hun protocol leverde consistent hoogwaardige beelden op en kan worden gebruikt voor studies waarbij grove weefsel-, tumorgroottes of de voordelen van therapeutische behandelingen kunnen worden gemonitord. Het grootste sterkste punt van deze methode is de hoge output van gegevens. Bijvoorbeeld, drie ratten kunnen tegelijkertijd worden geïmageeerd, of 20-30 muizen kunnen per uur worden geïmageeerd. Dit protocol is een snelle alternatieve voor traditionele niet-invasieve beeldvormingsmodaliteiten.

Een andere onderzoeksgroep in de collectie gebruikte beeldvorming om unilateraal ureterbeloop (UUO) te bestuderen, een verwondingsmodel dat oppervlakteglomeruli induceert. Wagner et al. gebruikten intravitale twee-foton microscopie om UUO te monitoren bij ratten die oppervlakteglomeruli ontwikkelen en die geen oppervlakteglomeruli ontwikkelen¹⁴. Twee-foton microscopie biedt een verhoogde diepte van penetratie en onderzoek van verschillende regio's van de nier. De auteurs ontdekten dat UUO ontsteking en fibrose induceerde, en ook het rode bloedcelstroom in rattennieren verminderde. Het kwantificeren van bloedstroom, vasoconstrictie en dilatatie als reactie op medicijnen en ontsteking zijn enkele voordelen die deze methode biedt. Gezamenlijk bieden deze studies nieuwe beeldvormingsstrategieën om verschillende weefsels te bestuderen.

Het schatten van nanokristallurie als voorspeller van nierziekte
Er is voorgesteld dat het beoordelen van urinaire kristallen nuttig zou kunnen zijn om het risico op nierstenen te voorspellen¹⁵. We ontwikkelden een protocol om urinaire nanokristallen (≤1 µm) te kwantificeren van gezonde volwassenen voor en nadat ze een voedingsoxalaatbelasting hadden geconsumeerd die bekend staat om urinaire oxalaatniveaus te induceren

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Wij danken de auteurs en reviewers voor hun bijdragen aan deze collectie. We erkennen ook de financiering van de NIH (DK106284 en DK123542) en de Oxalosis & Hyperoxaluria Foundation - American Society of Nephrology KidneyCure Transition to Independence Grant.

Referenties

Kovesdy, C. P. Epidemiology of chronic kidney disease: An update 2022. Kidney International Supplements. 12 (1), 7-11 (2022).
Bellomo, R., Kellum, J. A., Ronco, C. Acute kidney injury. Lancet. 380 (9843), 756-766 (2012).
Malek, M., Nematbakhsh, M. Renal ischemia/reperfusion injury; From pathophysiology to treatment. Journal of Renal Injury Prevention. 4 (2), 20-27 (2015).
Saba, H., et al. Manganese porphyrin reduces renal injury and mitochondrial damage during ischemia/reperfusion. Free Radical Biology and Medicine. 42 (10), 1571-1578 (2007).
Mitchell, T., Saba, H., Laakman, J., Parajuli, N., MacMillan-Crow, L. A. Role of mitochondrial-derived oxidants in renal tubular cell cold-storage injury. Free Radical Biology and Medicine. 49 (8), 1273-1282 (2010).
Liu, K. D., Humphreys, B. D., Endre, Z. H. The ten barriers for translation of animal data on AKI to the clinical setting. Intensive Care Medicine. 43 (6), 898-900 (2017).
Doulamis, I. P., et al. A large animal model for acute kidney injury by temporary bilateral renal artery occlusion. Journal of Visualized Experiments. (168), e62230(2021).
Cantero-Navarro, E., et al. Role of macrophages and related cytokines in kidney disease. Frontiers in Medicine. 8, 688060(2021).
Taguchi, K., Sugahara, S., Elias, B. C., Brooks, C. R. Identification of the source of secreted proteins in the kidney by brefeldin A injection. Journal of Visualized Experiments. (177), e63178(2021).
Wei, Q., Mi, Q. S., Dong, Z. The regulation and function of microRNAs in kidney diseases. IUBMB Life. 65 (7), 602-614 (2013).
Cui, C., Cui, Q. The relationship of human tissue microRNAs with those from body fluids. Scientific Reports. 10, 5644(2020).
Yanai, K., et al. Quantitative real-time polymerase chain reaction evaluation of microRNA expression in kidney and serum of mice with age-dependent renal impairment. Journal of Visualized Experiments. (182), e63258(2022).
Holmes, H. L., et al. Use of 3D robotic ultrasound for in vivo analysis of mouse kidneys. Journal of Visualized Experiments. (174), e62682(2021).
Wagner, M. C., Sandoval, R. M., Campos-Bilderback, S. B., Molitoris, B. A. Using 2-photon microscopy to quantify the effects of chronic unilateral ureteral obstruction on glomerular processes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63329(2022).
Daudon, M., Hennequin, C., Boujelben, G., Lacour, B., Jungers, P. Serial crystalluria determination and the risk of recurrence in calcium stone formers. Kidney International. 67 (5), 1934-1943 (2005).
Kumar, P., Bell, A., Mitchell, T. Estimation of urinary nanocrystals in humans using calcium fluorophore labeling and nanoparticle tracking analysis. Journal of Visualized Experiments. (168), e62192(2021).
Kumar, P., et al. Dietary oxalate loading impacts monocyte metabolism and inflammatory signaling in humans. Frontiers in Immunology. 12, 617508(2021).
Yanai, K., Kaneko, S., Ishii, H., Aomatsu, A., Morishita, Y. Delivery of exogenous artificially synthesized miRNA mimic to the kidney using polyethylenimine nanoparticles in several kidney disease mouse models. Journal of Visualized Experiments. (183), e63302(2022).

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Urinary Nanocrystals Calcium Fluorophore Labeling Nanoparticle Tracking Analysis Acute Kidney Injury Renal Artery Occlusion Secreted Proteins Brefeldin A Injection MicroRNA Expression Renal Impairment 3D Robotic Ultrasound Exogenous MiRNA Mimic Polyethylenimine Nanoparticles Chronic Unilateral Ureteral Obstruction 2 photon Microscopy