Choroby nerek: jak mogą pomóc komórki macierzyste?
Zapotrzebowanie na przeszczepy nerek stale się zwiększa. Coraz więcej osób z krajów rozwiniętych cierpi na wysokie ciśnienie krwi i cukrzycę 2 typu, co przyczynia się do zwiększenia odsetka chorób nerek. Niestety cały czas brakuje dawców, których narządy mogłyby pokryć to rosnące zapotrzebowanie. Terapie oparte na komórkach macierzystych mogą stanowić alternatywne rozwiązanie.
Nerki pomagają utrzymać właściwy poziom soli i minerałów we krwi. Filtrują również toksyny i wytwarzają hormony istotne dla funkcjonowania organizmu. Częścią składową kluczową dla funkcjonowania nerek są nefrony.
Choroby nerek są spowodowane uszkodzeniami nefronów; mogą być one krótkotrwałe i o nagłym początku (ostre choroby nerek) lub powolne i postępujące (przewlekłe choroby nerek).
Przewlekłe choroby nerek mogą prowadzić do niewydolności nerek, która – nieleczona za pomocą dializ lub przeszczepu nerki - jest śmiertelna.
Naukowcy analizują, w jaki sposób komórki macierzyste mogą wspomóc nerki w naprawie uszkodzeń i przywróceniu prawidłowego funkcjonowania nerek.
Naukowcy badają, w jaki sposób nerki mogą się odnawiać i jakie komórki biorą udział w tym procesie. Nie udało się jeszcze ustalić, jakie komórki są zaangażowane w regenerację nerek. Kilka grup komórek skupionych wokół nefronów posiada cechy charakterystyczne dla komórek macierzystych. Jedna z tych grup nazywana jest komórkami progenitorowymi nerek, inna przypomina mezenchymalne komórki macierzyste, które zwykle obserwuje się w szpiku kostnym.
Naukowcy wykorzystują również pluripotentne komórki macierzyste do produkcji trójwymiarowych struktur przypominających nefrony, które są wykorzystywane do badania, w jaki sposób nerki powstają w embrionach, jak również do opracowywania i badania nowych leków i terapii.
Uważa się, że możliwe będzie wykorzystywanie tych komórek do tworzenia nowych nefronów w uszkodzonych nerkach.
Badanie rozwoju nerek, chorób nerek i naturalnych procesów odbudowy jest niezwykle trudne ze względu na złożoność struktur oraz różnorodność komórek w nerkach.
Choroby nerek mogą być spowodowane uszkodzeniami różnych rodzajów komórek w nerkach. Leczenie komórkami macierzystymi będzie skuteczne jedynie gdy określimy, które komórki uległy uszkodzeniu i powinny zostać zastąpione.
Prawdopodobne jest, że leczenie wspierające naturalne ścieżki samonaprawy pojawi się wcześniej niż terapie oparte na zastępowaniu komórek, jednak przed opracowaniem nowych terapii naukowcy muszą lepiej zrozumieć sposób działania naturalnych procesów samonaprawczych.
Nerki znajdują się w tylnej części ciała, około 10 cm ponad kością biodrową i tuż poniżej klatki piersiowej. Stanowią one filtry organizmu, utrzymując równowagę płynów, minerałów, soli i innych substancji we krwi. Wytwarzają one mocz w celu pozbycia się produktów przemiany materii i szkodliwych substancji z organizmu. Produkują one także kilka hormonów: erytropoetynę, która wpływa na szpik kostny i powoduje podniesienie produkcji czerwonych krwinek, kalcytriol (aktywna postać witaminy D3), który wspiera wchłanianie i wykorzystanie wapnia i fosforanu dla zdrowych kości i zębów; a także enzym o nazwie renina, który bierze udział w monitorowaniu i kontrolowaniu ciśnienia krwi.
Podstawową jednostką funkcjonalno-strukturalną nerki jest nefron.
Nefron składa się z:
- Kłębuszka nerkowego – gęstej sieci naczyń włosowatych, które filtrują krew;
- Torebki Bowmana – otacza kłębuszek nerkowy; „wyłapuje” płyn, który został odfiltrowany z krwiobiegu i opróżnia go do kanalików;
- Kanaliki – małe rurki wyściełane warstwą nabłonka jednowarstwowego wyspecjalizowanych komórek, których zadaniem jest głównie reabsorbcja wody i elektrolitów (np. sodu, potasu, chlorku i wodorowęglanów) do krwi zanim pozostałości opuszczą organizm w postaci moczu;
Choroby nerek zazwyczaj są wynikiem uszkodzenia nefronów i mogą mieć postać ostrą lub przewlekłą. W ostrej postaci choroby występuje nagły spadek funkcjonowania nerek, Zazwyczaj jest to spowodowane utratą dużej ilości krwi lub na skutek wypadku i jest często krótkotrwałe, jednak może niekiedy prowadzić do trwałego uszkodzenia nerek. Przewlekłe choroby nerek są definiowane jako utrata co najmniej jednej trzeciej funkcji nerek na co najmniej trzy miesiące. W przewlekłych chorobach nerek funkcjonowanie pogarsza się wraz z upływem czasu, a problem przez wiele lat często pozostaje niezauważony, ponieważ jego skutki są względnie łagodne. Niektóre objawy przewlekłych chorób nerek to: bóle głowy, zmęczenie, wysokie ciśnienie krwi, swędzenie, zatrzymywanie płynów, zadyszka.
Choroby nerek mogą prowadzić do niewydolności nerek (mniej niż 10% zachowanej funkcji nerek). W takim przypadku, aby przeżyć, pacjenci wymagają dializ lub przeszczepu nerki. Ryzyko rozwinięcia się przewlekłej choroby nerek zwiększa się wraz z wiekiem; innymi czynnikami ryzyka są: cukrzyca, wysokie ciśnienie krwi, otyłość i palenie. Przynajmniej 8% populacji Europy (40 milionów osób) cierpi obecnie na przewlekłe choroby nerek, co plasuje ich w grupie ryzyka wystąpienia niewydolności nerek. Liczby te wzrastają każdego roku, nie ma więc wystarczającej liczby dawców, która mogłaby zapewnić przeszczep dla tak wielu pacjentów. Sprawia to, że poszukiwanie nowych opcji terapeutycznych w leczeniu przewlekłych chorób nerek staje się coraz ważniejsze.
Naukowcy nadal dyskutują nad tym, jakie komórki macierzyste nerki występują w dorosłym organizmie i jaką odgrywają rolę w naturalnych procesach odbudowy nerki. Komórki, które występują w kilku punktach nefronów stanowią „kandydatów do tytułu” komórek macierzystych nerki. Najbardziej przekonywującym dowodem na istnienie tego rodzaju komórek macierzystych jest odkrycie komórek progenitorowych nerki w biegunie moczowym w torebce Bowmana w nefronie (zaznaczone na niebiesko na powyższym diagramie). Komórki te posiadają najważniejsze cechy komórek macierzystych, a badania wykazały, że są one odpowiedzialne za produkcję podocytów – wyspecjalizowanych komórek zaangażowanych w funkcję filtrującą nefronu, które muszą być zastępowane przez całe nasze życie. Badania także sugerują, że te komórki macierzyste mogą być zdolne do tworzenia drugiego typu wyspecjalizowanych komórek występujących w wyściółce nefronu,Oprócz komórek macierzystych nerki, udało się wyizolować z nerki komórki z cechami charakterystycznymi dla mezenchymalnych komórek macierzystych.
Niektóre rodzaje komórek ze szpiku kostnego były już testowane na zwierzętach i w badaniach klinicznych wykazują potencjał do stosowania ich w chorobach nerek. Wśród komórek, które poddano badaniom, komórki nazywane mezenchymalnymi komórkami macierzystymi dają najbardziej obiecujące rezultaty. Badania sugerują, że mezenchymalne komórki macierzyste mogą być zdolne do potęgowania naturalnej zdolności nerki do samonaprawy.
Naukowcy badający terapeutyczny wpływ pochodzących ze szpiku kostnego komórek mezenchymalnych w nerkach sugerują, że mogą one uwalniać białka, które następnie wspomagają wzrost komórek nerkowych, hamują ich obumieranie i mogą wspierać własne komórki macierzyste nerki w naprawie uszkodzeń. Konieczne są dalsze badania mające na celu określenie, czy te wnioski są prawidłowe. Prowadzone obecnie badania kliniczne wykorzystujące pochodzące ze szpiku kostnego mezenchymalne komórki macierzyste mają na celu ocenę ich skuteczności u pacjentów z chorobami nerek (więcej informacji: ClinicalTrials.gov NCT02057965, NCT02387151).
Wydaje się, że komórki posiadające pewne cechy mezenchymalnych komórek macierzystych występują w wielu innych organach poza szpikiem kostnym, jednak wśród naukowców pojawiają się kontrowersje dotyczące dokładnego charakteru takich komórek i ich roli w organizmie. Ostatnio udało się wyizolować z nerki komórki o pewnych cechach mezenchymalnych komórek macierzystych. Te tak zwane komórki mezenchymalne nerki w zdecydowany sposób różnią się od komórek mezenchymalnych szpiku kostnego. Konieczne są dalsze badania, które pozwolą określić dokładnie ich rolę w „konserwacji” nerek i zbadać ich potencjał we wspieraniu naturalnego potencjału nerek do regeneracji i samonaprawy po uszkodzeniu.
Kolejnym rodzajem komórek macierzystych, które naukowcy wykorzystują w badaniach są indukowane pluripotentne komórki macierzyste. Indukowane pluripotentne komórki macierzyste tworzy się poprzez przeprogramowywanie dorosłych, wyspecjalizowanych komórek ciała tak, aby zachowywały się jak embrionalne komórki macierzyste. Mogą one rozwinąć się w dowolną komórkę lub tkankę w organizmie. Ostatnio naukowcom udało się wykorzystać indukowane pluripotentne komórki macierzyste do stworzenia komórek nerki w bardzo wczesnej fazie rozwoju. Te wczesne komórki nerki przypominają komórki, które można znaleźć w embrionie i które przekształcą się podczas rozwoju zarodkowego w nerki. Komórki te mają potencjał, aby dać początek kanalikom i kłębuszkom nerkowym, stanowiącym części składowe nefronu. Zanim jednak komórki te będą mogły zostać wykorzystane w celu leczenia przewlekłych chorób nerek, konieczne są dalsze badania.
Obecnie badane jest również podejście alternatywne dla przeszczepu organów, które również może w przyszłości pomóc pacjentom z chorobami nerek: wykorzystywanie rusztowań narządów do stworzenia całych, nadających się do przeszczepu organów. Rusztowania narządów są to narządy, z których usunięto wszystkie komórki. Pozostałości to macierz pozakomórkowa – część narządu utrzymująca jego kształt. Ta macierz może zostać wypełniona własnymi komórkami pacjenta, które są ostrożnie kultywowane, namnażają się i pokrywają rusztowanie. Wykorzystując własne komórki pacjenta znacznie redukuje się ryzyko komplikacji związanych z odrzuceniem przeszczepu.
W tym podejściu problem stanowi zidentyfikowanie i pozyskanie właściwego typu komórek do wypełnienia rusztowania, zwłaszcza w przypadku organów o złożonej strukturze, składających się z wielu różnych komórek. Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste isą kandydatami do wypełniania rusztowań nerek. Prowadzone na szczurach eksperymenty wykazały, że wykorzystanie tej metody w przyszłości jest bardzo prawdopodobne.
Poza wykorzystaniem pochodzących ze szpiku kostnego mezenchymalnych komórek macierzystych w leczeniu pacjentów z chorobami nerek (więcej informacji: ClinicalTrials.gov NCT02057965, NCT02387151), terapie z wykorzystaniem komórek macierzystych nie są jeszcze w pełni opracowane. Nerka jest niezwykle złożonym organem, składającym się z wielu rodzajów komórek. Aby wyhodować w laboratorium nową nerkę, konieczne jest oddzielne wyhodowanie poszczególnych rodzajów komórek, a następnie połączenie ich w nadziei, że odtworzą w pełni funkcjonująca nerkę. Co więcej, choroby nerek mają różne postacie i obejmują różne rodzaje komórek, tak więc terapia, której celem jest zastąpienie zniszczonych komórek w nerkach pacjenta wymaga ich dostarczenia. Obecnie prowadzone są badania nad zastępowaniem uszkodzonych komórek i organów, jednak jest to proces długofalowy.
Komórki macierzyste mogą natomiast przynieść pacjentom inne korzyści. Można je, na przykład, stosować w celu pogłębienia naszego zrozumienia choroby poprzez badania nad rozwojem i zachowaniem komórek nerki hodowanych w dużych ilościach w laboratorium. Badania nad komórkami macierzystymi mogą także pozwolić nam lepiej wykorzystywać systemy naprawcze organizmu w celu znalezienia terapii w chorobach nerek. W ostrych chorobach nerek organizm często jest w stanie sam naprawić uszkodzenia, jednak nie jest w stanie zrobić tego w sposób wystarczający w przypadku postępujących uszkodzeń charakterystycznych dla chorób przewlekłych. Znalezienie w nerkach komórek podobnych do komórek mezenchymalnych może otworzyć nowe możliwości dla wspomagania zdolności organizmu do samoregeneracji i naprawy uszkodzonych nerek. Prace nad tymi nowoodkrytymi komórkami stanowią ważny obszar badań. Naukowcy także kontynuują zgłębianie nowych koncepcji za pomocą nowych technologii, takich jak przeprogramowywanie komórek skutkujące zmianą ich funkcji.
STELLAR: an EU sponsored collaborative consortium researching stem cells use in kidney regeneration
How your kidneys work - animated description from the BBC
The European Kidney Patients' Federation (CEAPIR)
List of national kidney disease organisations in Europe
UK National Health Service information on chronic kidney disease
Scientific American news article on experiments in rats using kidney scaffolds
Broszura została opracowana przez Brigitte Wieles i zrecenzowana przez Ton Rabelink, kooordynatora europejskiego projektu STELLAR.
Zdjęcie wprowadzające i diagram nefronu został opracowany przez EuroStemCell z wykorzystaniem Servier Medical Art. Obraz komórek macierzystych nerki: Brigitte Wieles. Microskopowy obraz kanalików nerkowych: JWSchmidt. Babcia i wnuczek © iStock/grandriver.