Danio pręgowany jest powszechnie wykorzystywanym organizmem modelowym w wielu dziedzinach nauki, a zakres jego zastosowań stale rośnie6. Wykorzystanie systemu modelowego danio pręgowanego w badaniach nad chorobami nerek, takimi jak AKI, doprowadziło do istotnych obserwacji i system ten nadal będzie stanowił dobry model do badania uszkodzeń nerek7,8. Dzięki zsekwencjonowanemu genomowi oraz opracowaniu wielu protokołów molekularnych, przeprowadzanie zaawansowanych badań na danio pręgowanym z wykorzystaniem modeli transgenicznych, studiów nad wyciszaniem genów oraz nadekspresją stało się coraz łatwiejsze. Danio pręgowany charakteryzuje się krótkim cyklem życiowym, licznymi pokoleniami oraz dobrze zdefiniowanymi etapami rozwoju. Co więcej, stadia embrionalne i larwalne danio pręgowanego są w znacznym stopniu przezroczyste, co umożliwia prowadzenie badań obrazowych bez konieczności sekcji organizmu. W etapach embrionalnych i larwalnych danio pręgowany posiada nerkę pronefryczną składającą się z dwóch nefronów, które pozostają widoczne w tych punktach czasowych rozwoju. Nefrony pronefryczne danio pręgowanego są analogiczne pod względem struktury i funkcji do ich ssaczych odpowiedników, co czyni go dobrym modelem do badań nad ostrą niewydolnością nerek4,5.
Nerka ma kluczowe znaczenie dla przetrwania ludzi i innych kręgowców, pełniąc funkcję organu oczyszczającego organizm z ciekłych produktów przemiany materii. Ta funkcja oczyszczająca opiera się na zdolności nefronów nerkowych do filtrowania krwi, a następnie modyfikowania filtratu w celu zgromadzenia produktów przemiany azotowej do wydalenia przy jednoczesnym utrzymaniu równowagi płynowej i elektrolitowej. Nefrony składają się z filtra krwi, kanalików nabłonkowych i odprowadzają mocz do przewodu zbiorczego. Integralność strukturalna i funkcjonalna wszystkich trzech części jest niezbędna dla funkcjonowania nefronu. Różne uszkodzenia nerki, w tym ekspozycja na nefrotoksyny, niedokrwienie lub niedrożność dróg odprowadzających mocz, mogą prowadzić do AKI1. Patologia AKI jest często powiązana z ostrą martwicą kanalików1,2. Badania kliniczne wykazały, że następująca po niej niewydolność nerek wiąże się ze śmiertelnością, która może wynosić od 7 do 80% w zależności od przyczyny i kontekstu niewydolności nerek. Jednak szybka diagnoza i odwrócenie podstawowej przyczyny AKI są coraz częściej związane z powrotem do zdrowia poprzez regenerację martwiczych kanalików nefronowych. Niedawne badania mapowania losów komórek wykazały, że główną populacją komórkową, która repopuluje uszkodzone kanaliki nefronowe, są komórki nabłonkowe pochodzące z sąsiednich, nieuszkodzonych obszarów12. Wyniki te nie wykluczają możliwości, że w procesie tym mogą uczestniczyć nerkowe komórki macierzyste/progenitorowe, a niezależne doniesienia sugerują, że komórki pochodzące z szpiku kostnego mogą przyczyniać się do regeneracji nerek13. Jest oczywiste, że niezbędne są dalsze badania w celu lepszego określenia komórkowych źródeł regeneracji nabłonka nerkowego.
Zarówno regeneracja, jak i rozwój nefronów opierają się na zjawisku przełączania stanu komórkowego pomiędzy fenotypem mezenchymalnym a nabłonkowym. Podczas rozwoju nefronów mezenchymalne komórki progenitorowe różnicują się w fenotyp stacjonarny, przylegając do błony podstawnej w celu utworzenia nabłonka kanalikowego3. Przypuszczalne zjawisko migracji komórek nabłonkowych po ostrej niewydolności nerek wymaga dedyferencjacji do fenotypu mezenchymalnego. Co ciekawe, niedawne badania sugerują, że komórki mezenchymalne w uszkodzonych nerkach wykazują profil ekspresji podobny do komórek mezenchymalnych podczas rozwoju14. W różnych doniesieniach wykryto zmiany w cząsteczkach adhezyjnych komórek, białkach macierzy, cytokinach i chemokinach. Po proponowanym przejściu mezenchymalno-nabłonkowym komórki ponownie gromadzą się na błonie podstawnej i wznawiają aktywność nabłonka kanalikowego. Określanie genów istotnych w tym procesie pozostaje tematem badań w naszym laboratorium oraz innych ośrodkach. Wiele prac mających na celu wyjaśnienie kluczowych czynników w tym procesie wciąż pozostaje do wykonania, jednak znaczący postęp w tej dziedzinie zapoczątkowały badania nad skutkami działania gentamycyny.
Ostre uszkodzenie nerek (AKI) oraz niewydolność nerek wywołana przez gentamycynę są istotne w kontekście powszechności stosowania związków nefrotoksycznych w medycynie15. Stosowane w leczeniu zakażeń bakteriami gram-ujemnymi aminoglikozydy prowadzą do ostrego uszkodzenia w 10-25% przypadków. Lek ten wywołuje szereg negatywnych efektów komórkowych, które wspólnie prowadzą do apoptozy lub nekrozy w wielu komórkach cewkowych. Badania wykazały, że lek wiąże się preferencyjnie z kompleksem utworzonym przez megalinę i kubulinę, który bierze udział w endocytozie. Cząsteczki te występują w obfitości w komórkach nabłonkowych kanalików proksymalnych, choć ich ekspresja nie ogranicza się tylko do tych komórek. Poprzez sygnalizację komórkową prowadzącą do indukcji stresu oksydacyjnego, uwalniania czynników obkurczających naczynia, wyczerpania komórkowego ATP, hipoksji oraz inhibicji fosfolipaz, gentamycyna i podobne antybiotyki wywołują apoptozę i nekrozę w komórkach nabłonkowych. Ponadto antybiotyki wyzwalają skurcz kłębuszka w filtrze naczyniowym nefronu (kłębuszku nerkowym), co skutkuje spadkiem współczynnika filtracji kłębuszkowej i negatywnie wpływa na zdolność nerek do filtrowania krwi. Produkcja reaktywnych form tlenu, cząsteczek immunostymulujących oraz aktywacja fosfolipaz wywołują rozproszone efekty w nefronie, tworząc katastrofalną patologię prowadzącą do ostrej niewydolności nerek.
Choć badania z wykorzystaniem gentamycyny i podobnych antybiotyków były i nadal będą ważnymi narzędziami w badaniach nad regeneracją nerek, brakuje im precyzji, która mogłaby być przydatna przy rozwiązywaniu określonych problemów. Nasz system wykorzystujący rybkę danio w połączeniu z metodą ablacji laserowej opisaną w niniejszym protokole odpowiada na potrzebę posiadania tak precyzyjnego narzędzia badawczego. Ablacja laserowa pozwala badaczom na indukowanie destrukcji komórek w ogniskowych obszarach kanalika nerkowego, obejmując populacje od małych (2-3) do dużych (>50-100), z niezrównaną precyzją. W tym protokole wykorzystujemy wcześniej opracowaną metodę ekspozycji na konjugaty dekstranu w celu preferencyjnego znakowania populacji nabłonkowych kanalików proksymalnych. Alternatywnie można zastosować transgeniczne linie rybek danio wykazujące ekspresję zielonego białka fluorescencyjnego w jednym lub więcej obszarach kanalika. Na przykład transgeniczne rybki danio cadherin17:eGFP wykazują silną fluorescencję w obszarach kanalików dystalnych (choć słabą w populacjach proksymalnych) i mogą być wartościowe w badaniach nad regeneracją w innych segmentach kanalików16. Widoczność nefronu umożliwi rejestrację wideo w odstępach czasowych (time-lapse) zmian komórkowych w czasie. W połączeniu z badaniami ekspresji genów, takimi jak hybrydyzacja in situ w obrębie całego preparatu lub immunohistochemia, badacze mogą wykrywać zmiany molekularne w nefronie w czasie. Wspólnie strategie te mogą pozwolić na sformułowanie bardziej dynamicznego rozumienia zdarzeń, które zachodzą podczas niszczenia komórek nabłonkowych nerek.
Głównym zastrzeżeniem dotyczącym naszego modelu ablacji laserowej jest fakt, że może on odtwarzać jedynie częściowe aspekty warunków fizjologicznych występujących podczas ludzkiego AKI. Śmierć komórkowa wywołana natychmiastowym uszkodzeniem fizycznym różni się od kaskady zdarzeń prowadzących do nekrozy komórek, w związku z czym czynniki humoralne w tych różnych mikrośrodowiskach mogą nie być identyczne. Ponadto istnieją dowody na występowanie apoptozy indukowanej podczas uszkodzenia nerek i nie wiadomo, czy takie następstwa występują po uszkodzeniu laserem. Jednak tak jak hodowla komórkowa jest narzędziem, które lepiej pozwala odpowiedzieć na pytania wymagające ściśle kontrolowanego środowiska, tak ablacja laserowa będzie służyć jako ściśle kontrolowany model in vivo AKI. W związku z tym wnioski płynące z badań nad ablacją nabłonka nerkowego u rybek danio-ostrobramkowych prawdopodobnie przyczynią się do odkrycia fundamentalnych mechanizmów, które można zastosować w badaniach nad innymi uszkodzeniami nerek i potencjalnie wykorzystać do stworzenia lepszej diagnostyki u ludzi.