(BOSTON) — El riñón humano filtra aproximadamente una taza de sangre por minuto, eliminando desechos, exceso de líquidos y toxinas, al mismo tiempo que regula la presión arterial, equilibra los electrolitos importantes, activa la vitamina D y ayuda al cuerpo a producir glóbulos rojos.
Esta amplia gama de funciones se logra, en parte, a través de la compleja organización del riñón. En su región externa (corteza), más de un millón de unidades microscópicas, conocidas como “nefronas”, filtran la sangre, reabsorben los nutrientes necesarios y secretan los desechos en forma de orina. Para dirigir la orina producida por esta enorme cantidad de unidades filtrantes de sangre a un único uréter, el riñón establece un sistema arbóreo tridimensional altamente ramificado de “conductos colectores” (CC) durante su desarrollo. Además de dirigir el flujo de orina al uréter y, finalmente, fuera del riñón, los conductos colectores reabsorben agua, que el cuerpo necesita retener, y mantienen el equilibrio de sales y acidez del cuerpo en niveles saludables.
Encontrar formas de recrear este sistema de CC es el foco de investigadores e ingenieros biomédicos interesados en comprender cómo los defectos de los CC causan ciertas enfermedades renales, riñones poco desarrollados o incluso la ausencia completa de un riñón. Es importante destacar que ser capaz de fabricar el sistema de plomería del riñón desde cero sería un gran paso hacia las terapias de reemplazo de tejidos para muchos pacientes que esperan un trasplante de riñón; solo en los EE. UU., 90.000 pacientes están en la lista de espera de trasplante de riñón. Sin embargo, reconstruir este sistema ductal de transporte de fluidos altamente ramificado es un desafío formidable y aún no es posible.
Ahora, un equipo de ingenieros biomédicos del Wyss Institute de la Universidad de Harvard y la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), liderado por Jennifer Lewis, Sc.D., miembro del cuerpo docente central de Wyss, ha desarrollado una plataforma que combina la diferenciación de células madre específicas del riñón y la tecnología de cultivo de organoides con enfoques de ingeniería biomédica para abordar este desafío. Después de crear una matriz extracelular (MEC) que puede ser bioimpresa en 3D y que respalda la diferenciación de células pluripotentes inducidas humanas (iPSC) en organoides de CC complejos, los investigadores diseñaron CC renales a dos escalas diferentes para imitar la red tubular de CC y la salida de drenaje. Al bioimprimir redes tubulares extensas adyacentes a estructuras de CC tubulares más grandes y perfusibles, los dos tipos de estructuras de CC fabricadas ortogonalmente formaron interconexiones, demostrando una forma práctica de construir una red de CC a escala de tejido integrada. Los hallazgos se publicaron en Cell Biomaterials.
“Nuestra plataforma avanzada recientemente nos permite crear túbulos de CC perfusibles para múltiples aplicaciones, incluido el descubrimiento de fármacos y el modelado de enfermedades”, dijo Lewis, “y, en última instancia, la biofabricación de órganos completos para uso terapéutico con unidades de nefrona integradas y redes de conductos colectores. Lewis también es la Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering en SEAS y líder de la 3D Organ Engineering Initiative del Wyss Institute.
Our newly advanced platform enables us to create perfusable CD tubules for multiple applications, including drug discovery and disease modeling and, ultimately, biofabrication of whole organs for therapeutic use with integrated nephron units and collecting duct networks.
Ingeniería inversa del desarrollo renal
Durante el desarrollo renal normal, el llamado “brote ureteral” (BU) funciona como una semilla para toda la red de CC. Como un pequeño tubo que crece y se divide, crea todos los canales de recolección de orina al mismo tiempo que instruye a otras células en la corteza del riñón para que se diferencien en nefronas filtrantes de sangre. Emular esta organización tubular presenta un desafío particular para los ingenieros biomédicos que buscan recrear la red de CC del riñón en el laboratorio.
Para replicar el desarrollo renal, se han desarrollado métodos que permiten a los investigadores diferenciar las iPSC humanas en “organoides” renales, agregados de células que exhiben muchas características organizativas del riñón, incluidas las nefronas y las estructuras tubulares similares a los CC. Sin embargo, los organoides no tienen una entrada y una salida y sus CC están mal formados y permanecen relativamente desorganizados, por lo que no alcanzan un sistema de CC funcional.
By using organoid biology in combination with different tissue engineering approaches, we succeeded in building renal tubular networks lined by CD cells that connect with a central outlet.
“Para crear un nuevo camino en este problema, esencialmente abrimos los organoides renales y aprovechamos su potencial para desarrollar estructuras tubulares. Al utilizar la biología de organoides en combinación con diferentes enfoques de ingeniería de tejidos, logramos construir redes tubulares renales revestidas con células de CC que se conectan con una salida central”, dijo la co-primera autora Kayla Wolf, Ph.D., quien, junto con el otro primer autor del estudio, Ronald van Gaal, Ph.D., lideró el proyecto en el grupo de Lewis como investigadora postdoctoral. Actualmente es profesora asistente en la Cornell University’s Meinig School of Biomedical Engineering en Ithaca, Nueva York.
Como requisito previo para fabricar redes tubulares más largas y complejas desde cero, el equipo primero desarrolló y optimizó una matriz compuesta de colágeno y pequeños fragmentos de componentes de la membrana basal natural; en los tejidos humanos normales, las células producen matriz para mantener unidos los tejidos y mantener su función. En la ingeniería de tejidos de CC, la matriz extracelular permitió el proceso de bioimpresión y apoyó el crecimiento y la diferenciación de las células BU y las células progenitoras de BU colocadas en ella.
Para fabricar un canal BU central más grande que pudiera ser perfundido con fluido en un dispositivo de fluido, los investigadores primero crearon un canal de biomaterial hueco utilizando un método de “templado” que les permitió fundir la matriz diseñada en un estado fluido alrededor de un pasador alargado. Una vez solidificada la matriz, se retiró el pasador, dejando un canal cilíndrico hueco en el que se sembraron células BU derivadas de organoides. Después de aproximadamente una semana, las células BU se habían autoensamblado en un cilindro hueco revestido por monocapas de células congruentes. Curiosamente, Wolf y sus colegas encontraron que, en muchos lugares, las paredes de este tubo comenzaron a brotar hacia la matriz circundante, imitando las etapas iniciales del desarrollo renal.
En la búsqueda de redes de CC tubulares más grandes, el equipo creó tubos de menor diámetro bioimprimiendo directamente células progenitoras de BU derivadas de iPSC en la matriz en patrones filamentosos. Durante un período de días a semanas de cultivo celular, los filamentos se ensamblaron en redes ramificadas de tubos diminutos.
De la formación de la red a la maduración del CC
Es importante destacar que, al imprimirse adyacente a un canal central de mayor diámetro, estas redes tubulares se conectaron al canal central a través de múltiples conexiones lumen a lumen. “Habiendo establecido una red de estructuras tubulares conectadas con un canal central a mayor escala, queríamos ver si era posible madurar los túbulos BU a un estado similar al de los CC”, dijo Wolf. “No solo fue posible, sino que nuestra plataforma reveló que la perfusión durante este proceso mejoró la maduración similar a la de los CC”.
Como próximo paso, el equipo de Lewis probará si la red de CC diseñada puede integrarse con características ricas en nefronas. Mientras tanto, estos modelos de CC son de interés para comprender enfermedades, como la enfermedad renal poliquística, que se originan principalmente en el CC.
“Haber encontrado una forma prometedora de diseñar la red de conductos colectores del riñón humano, utilizando células madre y métodos innovadores de ingeniería de tejidos, es un gran logro para abordar la crisis nacional y mundial de trasplantes, además de ofrecer un nuevo enfoque para las pruebas de fármacos y el modelado de enfermedades a corto plazo”, dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., quien también es el Judah Folkman Professor of Vascular Biology en la Harvard Medical School y el Boston Children’s Hospital, y el Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering en la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Otros autores del estudio son Sebastien Uzel, Jonathan Rubins, Aline Klaus, Amelie Printz, Pooja Nair, Katharina Kroll, Paul Stankey y Lisa Satlin. El estudio fue financiado por el programa Wellcome LEAP Human Organ Physiological Engineering (HOPE), el NIH Re(Building) a Kidney Consortium (bajo la beca NIH UC2DK126023), una beca postdoctoral nacional NIH F32 Ruth L. Kirschstein a Kayla Wolf y una beca Rubicon del Consejo Neerlandés de Investigación a Ronald van Gaal.
