Strategie di terapia cellulare staminale / progenitrice per danno renale

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PARTE IV.: Cellula staminale/progenitrice nel rene: caratteristiche, homing, coordinazione e mantenimento

Jiewu Huang, Yaozhong Kong, Chao Xie e Lili Zhou

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• Precondizionamento

DoporeneFerita, BMSC, EPC, HSC erenele cellule staminali / progenitrici migrano nell'area lesa, ma il microambiente locale può anche portare alla loro apoptosi a causa di ischemia, infiammazione, carenza di ossigeno e nutrizione e sovraregolazione dello stress ossidativo e rigetto immunologico. Gli studi hanno dimostrato che la funzione delle EPC e delle BMSC nella CKD è notevolmente compromessa [200-202]. Indubbiamente, l'efficacia delle cellule staminali / progenitrici dipende principalmente dalla loro capacità di migrare nelle aree ferite e dal loro tempo di sopravvivenza. Sembra necessaria una strategia per migliorare l'homing e la sopravvivenza delle cellule staminali.

Il precondizionamento delle cellule staminali è un modo promettente per noi. Queste strategie includono l'incubazione o la co-iniezione con citochine o composti chimici, la stimolazione dell'ipossia e la modificazione genetica [203]. Il precondizionamento ipossico o ecografico, l'incubazione con TGF-β1 o IGF-1 e la co-iniezione con eritropoietina possono aumentare l'espressione di CXCR4 nelle BMSC, promuovendo ulteriormente l'homing BMSC alreneattraverso l'asse CXCR4/SDF-1[128,168, 204-210]. Leflunomide aumenta anche la mobilizzazione di BMSC, HSC ed EPC nel sangue periferico e promuove la loro mi-gration nelferitorene[211]. Il pre-condizionamento ipossico sovraregola l'espressione di CXCR7 nelle BMSC [212], e non solo migliora i chemio-taxi BMSC, ma migliora anche la secrezione di fattori solubili terapeutici, come VEGF, IGF-1, HGF, FGF e angiopoietina e aumenta la vitalità cellulare nell'area lesa [128.159.213]. Il precondizionamento con sevoflurano può anche produrre effetti protettivi sulla sopravvivenza del BMSC riducendo al minimo l'apoptosi e recuperando la perdita del potenziale di membrana mitocondriale [214]. L'eritropoietina può non solo migliorare la proliferazione e la funzione protettiva renale delle BMSC [215.216], ma anche proteggere ilrenerafforzando la mobilitazione e il reclutamento degli EPC [217.218]. Il pretrattamento con statine migliora lo stress ossidativo, inibisce la risposta infiammatoria nel rene ferito, aumenta la sopravvivenza delle BMSC impiantate [219], aumenta anche il reclutamento EPC e riduce l'apoptosi [220]. Il pre-trattamento delle BMSC con melatonina migliora la loro sopravvivenza dopo la migrazione nel rene danneggiato [221, 222]. La somministrazione di pioglitazone potrebbe migliorare la funzione di MSC ed EPC riducendo lo stress del reticolo endo-plasmatico e la fusione mitocondriale [223-226]. Il pretrattamento con l'inibitore della dipeptidil peptidasi-4 sitagliptin, un agente per le terapie a base di incretina per il diabete di tipo 2 [227], può migliorare la mobilizzazione dell'EPC aumentando le concentrazioni plasmatiche di SDF-1α, possibilmente essere una strategia efficace per il trattamento della nefropatia diabetica [228].

La modificazione genetica è anche un modo utile di precondizionamento per migliorare l'homing delle cellule staminali al rene. Le BMSC sovraespressive CXCR4 costruite dall'infezione da lentivirus hanno una maggiore capacità di ospitare il rene e hanno migliorato le azioni paracrine per produrre HGF, BMP-7 e la citochina antinfiammatoria IL-10 [229]. Le BMSC modificate con kallikrein attraverso l'infezione da lentivirus hanno anche effetti antiossidanti, anti-apoptotici, antinfiammatori e angiogenici più forti sul danno renale [230]. Le BMSC che sovraesprimono MiR-let7c possono fornire più miR-let7c attraverso veicoli elettrici ai reni danneggiati, riducendo ulteriormente l'espressione di geni correlati alla fibrosi e fibrosi renale [231]. I BMDC miR-126 sovraespribili hanno una maggiore capacità di mobilitarsi nelle aree ferite regolando l'asse CXCR4/SDF-1 [232].

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• Applicazione di molecole bioattive secrete da cellule staminali/progenitrici

Come descritto sopra, molti studi indicano che le molecole bioattive secrete dalle cellule staminali/progenitrici svolgono anche un ruolo importante nel ripristino della funzione renale. La loro applicazione potrebbe avere molteplici vantaggi nelle applicazioni cliniche, tra cui la prevenzione delle cellule staminali/progeni-tor dall'esplorazione diretta del microambiente danneggiato e un processo produttivo e di stoccaggio più semplice [233]. La funzione delle cellule staminali nella CKD è compromessa e le cellule staminali allogeniche possono essere respinte, quindi l'uso di molecole bioattive secrete dalle cellule staminali è una potenziale strategia per superare questo problema. Teoricamente, le terapie senza cellule possono mostrare una sicurezza superiore rispetto alla somministrazione diretta di cellule staminali. Il mezzo condizionato derivato da BMSC promuove la rigenerazione del tessuto renale danneggiato, riduce l'infiammazione renale e la fibrosi e ri-immagazzina la struttura microvascolare in modelli di ostruzione ureterale unilaterale (UUO), nefrectomia 5/6 e nefropatia diabetica [48.233-236]. L'effetto dei veicoli elettrici da BMSC sul recupero del rene è simile alla somministrazione con BMSC, quindi l'applicazione di veicoli elettrici è anche una potenziale strategia per noi. Gli studi dimostrano che gli EV derivati da MSC allogenici residenti nei reni possono ridurre l'apoptosi, migliorare la proliferazione tubulare e la formazione di tubuli e ridurre l'infiltrazione di cellule infiammatorie nei modelli IRI e UUO [170, 237]. Inoltre, sia gli EV autologhi che quelli allogenici derivati da BMSC possono migliorare la funzione renale nei modelli di IRI, nefropatia indotta da farmaci, UUO e nefrectomia subtotale [169.177.178.238-241].

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• Biomateriali

Dovrebbero essere presi in considerazione anche i biomateriali, che possono migliorare la migrazione delle cellule staminali/progenitrici, migliorare la loro funzione e fornire un microambiente favorevole [242]. Come descritto sopra, le molecole bioattive secrete dalle cellule staminali presentano molti vantaggi nel ripristinare la funzione renale, ma sono instabili e vengono rapidamente degradate in vivo. Per mantenere una certa concentrazione ematica, è necessario un protocollo a dosi multiple. I biomateriali come l'idrogel, che garantisce un ri-lease controllato dei fattori bioattivi, possono risolvere questo problema [243]. I veicoli elettrici richiedono anche un dosaggio frequente perché vengono rapidamente eliminati dal corpo dal sistema reticoloendoteliale dopo l'iniezione nella circolazione [244]. Il precondizionamento con i biomateriali è una strategia promettente per superare la rapida liquidazione. La combinazione o l'avvolgimento di veicoli elettrici in una matrice di biomateriali può mantenere la loro biodisponibilità dopo la somministrazione, consentendo un rilascio prolungato e controllato, per migliorare l'efficacia terapeutica[159]. Gli idrogel, in particolare gli idrogel modificati, potrebbero migliorare la ritenzione e la stabilità dei veicoli elettrici [245]. Uno studio mostra che un tipo di nanoparticelle a mesoscala potrebbe contenere piccole molecole e persino grandi biomolecole come il DNA che non dipende dal carico incapsulato e mostra una selettività renale 26 volte superiore senza effetti collaterali come reazioni immunitarie e insufficienza epatica o renale [246]. Il precondizionamento con biomateriali può anche migliorare la sopravvivenza delle cellule staminali, l'attecchimento e l'homing. I biomateriali iniettabili come gli idrogel potrebbero aumentare la ritenzione di cellule staminali dopo il trapianto [242]. Gli sferoidi MSC intrappolati in idrogel di alginato modificati con Arg-Gly-Asp mostrano una diminuzione dell'apoptosi e un aumento della sopravvivenza, nonché della secrezione di VEGF dopo il trapianto [247]. Inoltre, il destino delle cellule staminali/pro-genitor che si spostano verso le aree ferite dipende principalmente dal microambiente locale. I biomateriali potrebbero fornire un microambiente simile a una nicchia di cellule staminali per le cellule staminali/progenitrici trapiantate in vivo[159]. Il precondizionamento di peptidi pro-sopravvivenza con un lento rilascio della matrice di collagene può migliorare la sopravvivenza delle BMDC dopo il danno ischemico [248]. I criogel di alginato poroso, una nicchia sintetica, possono migliorare gli effetti paracrini delle MSC [249]. Inoltre, l'uso di idrogel di polietilenglicole macroporoso biomimetico è un metodo efficace per promuovere significativamente la moltiplicazione delle HSC prima del trapianto in vitro imitando il microambiente naturale delle HSC [250].

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• Metodi di bioingegneria

La bioingegneria potrebbe essere una potenziale strategia per sostituire i reni feriti in futuro. Kitamura et al. hanno scoperto che le cellule staminali /progenitrici renali nel segmento S3 sono in grado di ricostituire una struttura tridimensionale simile al nefrone in vitro [72]. Inoltre, ci sono tre proto-cols principali per indurre la formazione di organoidi renali umani da parte di cellule progenitrici renali da ESC o cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs)[251]. Il primo protocollo, proposto da Taguchi et al, che sono stati ispirati dall'analisi delle popolazioni di cellule precursori renali embrionali, costruisce organoidi renali progenitori renali basati su cellule progenitrici da ESC o iPSC [252]. Il protocollo Taguchi induce ESC o iPSC in cellule progenitrici renali, che poi generano tubuli renali e strutture simili a glomeruli, e vengono efficacemente vascolarizzate dopo il trapianto [253]. Il secondo protocollo, chiamato protocollo Takasato, utilizza un'induzione bidimensionale di cellule progenitrici renali, seguita da coltura tridimensionale, generando organoidi renali che contengono nefroni, dotti di raccolta e interstizio, nonché cellule endoteliali, basate sull'adozione di ESC o iPSC. Gli organoidi renali mostrano una capacità di assorbimento del destrano [254-256]. Il terzo protocollo, il protocollo Morizane, come il protocollo Takasato, è diviso in fasi bidimensionali e tridimensionali, ma richiede meno tempo, per costruire organoidi contenenti strutture epiteliali nefroniche [257]. Gli organoidi renali funzionali derivati da ESC/iPSC, che possono essere derivati dalle cellule dei pazienti, presentano un grande potenziale per le terapie di sostituzione renale in futuro [258]. Tuttavia, ci sono molte sfide che devono essere superate prima dell'applicazione di organoidi kid-ney negli esseri umani, comprese le strategie per migliorare la scalabilità e la vascolarizzazione degli organoidi. Inoltre, è stato scoperto che le cellule negli organoidi renali sono molto più immature delle cellule nel rene adulto e ci sono cellule non renali non mirate all'interno degli organoidi [251].

L'applicazione di un'impalcatura a matrice extracellulare decellularizzata (ECM), fornisce un ambiente 3D che imita i tessuti naturali. Le forme che includono gel, cerotti, sezioni, blocchi e rivestimenti, svolgeranno anche un ruolo significativo nella medicina rigenerativa e nella bioingegneria in futuro [242]. Gli scaffold ECM dal rene, in cui non ci sono cellule o importanti marcatori immunogenici associati alle cellule, ma solo un'architettura renale nativa e una proteina della matrice extracellulare, creano una nicchia simile ai tessuti renali naturali, facilitano il reclutamento di cellule staminali / progenitrici, migliorano la neovascolarizzazione e promuovono il ripristino della funzione renale [259.260].dECM scaffolds da suini, preservando l'architettura renale nativa, componenti extracellulari e una rete vascolare intatta, forse una promettente plat-forma per la bioingegneria renale a causa della carenza renale per sostituire il trattamento [261]. Gli scaffold ECM trattati con SDS da suini non mostrano citotossicità alle cellule renali umane primarie e immunoreattività depressa dall'accurata clearance del materiale cellulare suino [262]. Uno studio mostra che dopo l'impianto dell'impalcatura dECM suina nel rene suino, l'impalcatura viene facilmente riperfusa, può sostenere la pressione sanguigna ed è tollerata durante il periodo di studio senza stravaso di sangue. Tuttavia, si possono osservare anche cellule infiammatorie e trombosi completa [263]. In uno studio, i ricercatori piantano ESC di topo in scaffold dECM di reni di ratto per indurre la ricellularizzazione e la costruzione organoide in vitro e poi impiantarlo in un ratto non afrec-tomizzato. Il risultato mostra che queste impalcature ricellularizzate sono facilmente riperfuse, potrebbero tollerare la pres-sicurezza del sangue e produrre urina senza perdite di sangue per circa 2 settimane [264]. Sebbene la rigenerazione di interi organi funzionali non sia stata realizzata e ci siano molti ostacoli ancora da superare, la combinazione di cellule staminali / progenitrici e scaffold ECM si spera che un giorno supererà queste sfide e farà un progresso nella medicina rigenerativa [265].

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