Böbrek Organoidleri ile Hastalık Modellemesi

Soyut:Böbrek hastalıklarıçoğu zaman optimal tedavilerden yoksundur ve her yıl milyonlarca ölüme neden olur. Böylece çalışmaya uygun model sistemlerin geliştirilmesiinsan böbrek hastalığıson derece önemlidir. En umut verici insan böbrek modellerinden bazıları, insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden (hiPSC'ler) türetilen organoidler veya küçük organ benzeri doku topluluklarıdır. Ancak bunlar daha çok ilk üç aylık döneme benzer.fetal böbrekyetişkin bir böbreğe göre daha fazladır. Bu nedenle olgunluklarını ilerletmek için yeni stratejilere ihtiyaç vardır. Olgunluğa ulaşabilirlerse, hastalık modelleme ve sonuçta yardımcı tedavi için büyük potansiyele sahiptirler.yetişkin böbrek. Bu derlemede böbrek organoidlerinin mevcut durumunu insan böbreğine benzerlikleri açısından ele alacağız ve bugüne kadar hastalık modelleme sistemi olarak kullanımını ele alacağız. Daha sonra ilerlemenin potansiyel yollarını tartışacağız.böbreğin olgunluğuDaha doğru insan hastalığı modellemesi için yetişkin böbreğiyle eşleşen organoidler.

Anahtar Kelimeler: organoidler;böbrek; gelişim; metanefroz; üreter; tübül; yonga; nefroloji; hastalık modelleme

CKD TEDAVİLERİ İÇİN CISTANCHE'İ ALMAK İÇİN TIKLAYIN

1. Giriş

Yakın zamana kadar insan hastalıkları şu iki şekilde modelleniyordu: hayvanlarla veya iki boyutlu hücre kültürüyle. Hayvan modelleri, tüm organizmadaki hastalık yollarının ve ilaç gelişiminin incelenmesine olanak tanır, ancak insanın genetik ve anatomik yapısını hesaba katmaz. Öte yandan insan hücre kültürü, bilim adamlarının insana özgü hastalık mekanizmalarını incelemesine ve tedavileri büyük ve kesin bir moleküler derinlikte değerlendirmesine olanak tanır. Ancak hücre kültürü bir organın karmaşık üç boyutlu yapısını ve fizyolojisini özetlemez.

İnsan organoidleri, gerçekçi üç boyutlu mikroanatomi ve organ düzeyinde işlevlere (örneğin, süt organoidlerinde gözyaşı üretimi ve cilt organoidlerinde saç büyümesi) sahip, insan organlarının basitleştirilmiş versiyonlarıdır [1,2]. Kendi kendine organizasyon süreçleri yoluyla, in vitro olarak doku hücrelerinden veya pluripotent kök hücrelerden türetilirler. 2008 yılında Takahashi ve Yamanaka tarafından icat edilen uyarılmış pluripotent kök hücreler (iPSC'ler), organoid oluşumu için en popüler hücrelerdir [3]. Bunun nedeni, iPSC'lerin sunduğu çeşitli ilgi çekici avantajlardır. Birincisi, sınırsız yenilenebilir bir hücresel kaynak sağlarlar ve birden fazla hücre tipine farklılaşabilirler. Daha da önemlisi, hastaların altında yatan genetik kompozisyonu temsil ederler. Bu nedenle, hastadan türetilen insan iPSC'leri (hiPSC'ler), bireysel düzeyde organoidler aracılığıyla hastalıkları incelemek için kullanılabilir ve kişiselleştirilmiş tıpta ilerlemelere olanak tanır. Bugüne kadar hastalıkları incelemek için kalp ve beyin gibi çeşitli insan organlarının organoid modelleri kullanıldı. Bu inceleme için böbrek organoidlerine odaklanacağız ve bunların insan böbreğini ve onunla ilişkili hastalıkları modellemek, ilaç toksisitesini taramak ve belki de böbrek fonksiyonunu desteklemek için nasıl kullanılabileceğini tartışacağız.

Böbrek hastalığı dünya nüfusunun %10'unu etkilemektedir [4]. Birçok böbrek hastalığının altında yatan genetik nedenin belirlenmesine rağmen, bunları yönetecek optimal tedaviler mevcut değildir. Bu talihsiz durum, hedeflenen terapötik gelişim için insan böbrek hastalığını özetleyen in vitro model sistemlerin eksikliğini yansıtmaktadır. Böbrek organoidleri, genetik böbrek hastalıklarını, böbrek hasarını ve ilaç toksisitesini araştırmak için insan tabanlı, kişiselleştirilebilir bir 3-D araştırma platformu sunar. Bir modelleme sistemi olarak hizmet etme kapasitesinin yanı sıra, bir böbrek organoidi, transplantasyon tıbbını ilerletme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, her iki alanda da potansiyelini en üst düzeye çıkarmak için böbrek organoidinin yetişkin insan böbreğinin yapısına ve işlevine benzemesi gerekir. Burada pluripotent hücreden türetilen insan böbreği organoidinin mevcut durumunu, potansiyel kullanımlarını ve iyileştirilmesi gereken alanları gözden geçireceğiz.

2. İnsan Böbreği ve Böbrek Organoidleri

HiPSC'ler embriyonik PSC'ler için proxy görevi görür. Bu nedenle, hiPSC'lerden bir böbrek organoidi oluşturmak, insan embriyonik böbrek gelişiminin kopyalanmasını gerektirir. Aşağıda böbrek organoidinin nasıl geliştirildiğini inceleyeceğiz ve onu insan böbreğiyle karşılaştıracağız.

2.1. İnsan Böbrek Gelişimi

Kan, embriyonik gelişim boyunca üç farklı aşamada filtrelenir. İlk aşamada, 4-haftalık insan embriyosunda pronefroz adı verilen bir yapı gelişir ve yaklaşık 5. haftaya kadar servikal bölgedeki kanı işler [5]. Daha sonra, embriyonun torasik bölgesinde mezonefroz oluşur ve embriyonik gelişimin 5. haftasından 10. haftasına kadar kanı filtreler. Mezonefroz kanı filtrelerken, daha sonra filtre haline gelecek olan son filtreleme sistemi deyetişkin böbrek, oluşmaya başlar (Şekil 1). Aşağıdaki iki bölümden oluşur: metanefrik mezenkim ve üreter tomurcuğu. Metanefrik mezenkim, nefronun toplama kanalı dışındaki tüm kısımlarını oluştururken, üreter tomurcuğu toplama kanalını oluşturur. Bu yapılar karşılıklı bir indüksiyon döngüsünden geçer; burada metanefrik mezenkim ve üreter tomurcuğu birbirlerinin büyümesini teşvik eder ve birleşerek metanefroz adı verilen bir yapı oluşturur. Yeni oluşan metanefroi, iliak dallardan pelvik bölgeye kadar kanı filtreler. Aynı zamanda üreter tomurcuğu çatallanarak dallanmaya devam ederek böbrek içerisinde birçok toplama kanalı oluşturur (6,7). Daha sonra, bu kaynaşmış metanefrik yapılar embriyo geliştikçe karın bölgesine doğru yükselir ve ilkel aorttan kan akışını sağlar. Bu süreçler Şekil 1'de özetlenmiştir. Metanefrik mezenkim ve üreter tomurcuk hücrelerinin ilkel olduğunu ve dolayısıyla multipotent potansiyeli koruduğunu, yetişkin farklılaşmış böbrek hücrelerinin ise kendi özel soylarına bağlı olduklarını belirtmek önemlidir [8].

Şekil 1. İnsan üriner sisteminin rahimdeki 4. ila 9. haftalar arasındaki gelişimi.

2.2. Böbrek Organoidleri Oluşturma Protokolleri

Böbrek organoidleri dokudan türetilmiş farklılaşmış hücrelerden veya pluripotent kök hücrelerden oluşturulabilir. Dokudan türetilmiş hücrelerden bir böbrek organoidi geliştirmek için, farklılaşmış yetişkin hücreler, insan organ mimarisini taklit edecek şekilde ex vivo üç boyutlu uzayda düzenlenebilir [9]. Dokudan türetilen farklılaşmış hücrelere yönelik organoid protokolleri başka bir yerde ele alınmaktadır. Bu derlemede kök hücre kaynaklı böbrek organoidlerine odaklanacağız. Bu sistemleri oluşturmak için bilim adamları, böbreğe özgü endojen morfojenler ve hücre dışı bileşenlerin varlığında pluripotent kök hücreleri kültürleyebilirler. Kök hücreler daha sonra kendi kendine birleşerek böbrek benzeri yapılara dönüşebilir ve embriyonik böbrek gelişimini taklit edebilir. Bağırsak gibi organlar, yetişkin dokusunda bilim adamlarının organoidler oluşturabileceği endojen kök hücre popülasyonlarını barındırır [10]. Bununla birlikte, yetişkin bir insan böbreğinin bir kök hücre nişi içerdiğine dair net bir kanıt olmadığından, kök hücreden türetilmiş böbrek organoitlerinin pluripotent kök hücrelerden (embriyonik veya hiPSC) yapılması gerekir [11].

Kök hücreden türetilen böbrek organoidleri şu iki kategoriye ayrılabilir: nefron progenitör (NP) organoidleri ve üreter tomurcuğu (UB) organoidleri. Her iki organoid türü de hastalık modelleri olarak iyi bir şekilde oluşturulmuştur. NP organoidleri, multipotent NP hücreleri içeren metanefrik mezenşime benzer. Aslında tek bir metanefrik mezenkimal hücre, toplama kanalı hariç, nefronun tüm epitel hücrelerini oluşturabilir. HiPSC'den türetilmiş NP organoitlerin üretilmesine yönelik metodolojiler arasında, gözenekli bir transwell plakasında daha sonra toplama ile 2D kültürü (örn., Takasato ve diğerleri (2016), Morizane ve diğerleri (2015)) veya bir hidrojelde 3D kültürü (örn., Freedman ve diğerleri) bulunur. (2015)) [12–14]. Bu organoidler glomerüler ve tübüler yapılar geliştirir. Takasato ve Morizane tarafından en popüler iki NP protokolünden türetilen NP organoidleri, Wu ve diğerleri tarafından yapılan kapsamlı bir omik analizinde karşılaştırıldı. (2018) [15]. Takasato protokolünün organoid başına yaklaşık %11 podosit benzeri hücre ve %21 hedef dışı hücre ürettiğini, Morizan protokolünün ise yaklaşık %28,5 podosit benzeri hücre ve %14,3 hedef dışı hücre ürettiğini buldular [15]. Takasato'nun organoidleri de az miktarda UB benzeri bölgeler geliştiriyor gibi görünmektedir ancak ağırlıklı olarak metanefrik mezenkimi taklit eder, dolayısıyla onları NP organoidleri olarak sınıflandırır [12]. Ayrıca Morizane ve ark. (2015) ve Takasato ve ark. (2016) protokolleri, Freedman ve arkadaşlarının (2015) çalışmasında [14] mevcut olan hücre dışı hidrojel ortamından yoksundur. Garreta ve diğerleri. (2019), organoid formasyonda bir hidrojelin varlığının böbrek yapısı oluşumunu iyileştirdiğini ve erken IM belirteçlerinin, posterior IM belirteçlerinin ve ön IM belirteçlerinin üretimini arttırdığını ileri sürmektedir [16].

NP organoidlerin aksine, UB organoidler, toplama kanalı sistemine yol açan üreter tomurcuğunu taklit eder. UB organoitlerinin üretilmesine yönelik yöntemler daha yakın zamanda geliştirilmiştir ve embriyoid vücut ekimi ve daha sonra düşük yapışkanlı kuyucuklara toplanmayı içermektedir [17]. Bu organoidler boru şeklinde ve toplama kanalı yapılarına sahiptir. Son olarak, NP ve UB organoidleri de yetişkin insanı özetlemek için daha yüksek düzeyde ortak kültür yapıları oluşturmak üzere birleştirildi.böbrek fenotipleri[17]. için en popüler protokollerböbrek organoidioluşumu aşağıdaki Şekil 2'de özetlenmiştir [12–14,17–19].

Şekil 2. En Popüler Organoid Oluşum Protokollerinin Özeti

2.3. Nasıl Birikirler: Böbrek Organoidleri ve İnsan Böbrekleri

Yukarıda açıklanan protokoller öncelikle hiPSC'lerin organoidlere kendi kendine montajını içerir. HiPSC'lerin böbreğe özgü soylara farklılaşmasını ve böbreğe özgü yapılar oluşturmasını sağlamak için fetal koşulları taklit ederler. Kopyaladıkları ilk fetal durum, ilkel çizgi sinyalidir. İlkel çizgi, embriyonun üç germ tabakası ayrılmadan önce gelişen bir bölümüdür. Çoğu protokol bunu WNT sinyal agonisti CHIR'i kullanarak yapar. Daha sonra, NP soyunun türetilmesi için, posterior-orta mezodermin (PIM) indüklenmesi gerekir ve UB soyunun, anterior-orta mezodermin (AIM) indüklenmesi gerekir [17]. İlginç bir şekilde Takasato ve ark. (2015), CHIR uygulama süresi ne kadar uzun olursa, o kadar arka benzeri mezoderm geliştiğini, süre ne kadar kısaysa o kadar ön benzeri mezoderm geliştiğini bulmuşlardır [20]. Böylece, artan WNT sinyalleşme süresi daha fazla glomerüler ve proksimal yapı oluşumuna, azalan WNT sinyalleşme süresi ise daha distal yapı oluşumuna yol açmaktadır.

NP protokolü tamamlandıktan sonra hem glomerüler hem de tübüler bölgelere sahip organoidler gelişir. Ancak olgunlaşmamışlardır. Çalışmalar, hiPSC'den türetilen böbrek organoidlerinin ilk trimester fetüsü taklit ettiğini göstermiştir [20]. Bu konuyla ilgili en kapsamlı analizlerden biri Subramanian ve arkadaşları tarafından yapılmıştır. (2019), böbrek organoidlerini 8-hafta, 17-hafta ve yetişkin insan böbrekleriyle karşılaştırmak için RNA dizisini kullanmıştır. Böbrek organoidlerinin, fetüste 8. ve 17. haftalarda yetişkin böbreklerine göre insan böbreklerine daha çok benzediği sonucuna varmışlardır [21]. Ayrıca, böbrek organoidleri böbrek boyunca SIX2+ gibi ilkel multipotent belirteçlerin boyanmasını gösterirken yetişkin farklılaşmış insan böbreği bu tür belirteçleri eksprese etmez [22]. Bu nedenle, böbrek organoidini yetişkin insan böbreğinin hastalığı incelemek için bir vekil olarak kullanması için, gebelik yaşının ilerlemesi gerekir.

Böbrek organoidleri, erken metanefrozu uygun yetişkin insan böbreğine göre daha yakından taklit etmekle kalmaz, aynı zamanda morfojen konsantrasyonu uygunsuz şekilde düzenlenirse mezonefroza metanefroza göre daha yakından benzeyebilirler [23]. Bu endişeleri ele alan Tsujimoto ve ark. (2020) mezonefrik NP'lere, metanefrik NP'lere ve UB hücrelerine in vitro hiPSC farklılaşmasını araştırdı [24]. Bu çalışma, bu üç soyu farklılaştıran çeşitli faktörleri tanımladı ve dolayısıyla bu üç farklı sistemin gelecekteki çalışmalarına uygulanabilir [24]. Organoid olgunlaşmasındaki diğer önemli ilerlemeler arasında NP-UB etkileşimleri ve vaskülarizasyon yer alır. Bu sorunları ele alan en dikkate değer çalışmalardan bazıları Taguchi ve Nishinakamura (2017) ve Tsujimoto ve diğerleri tarafından gerçekleştirildi. (2020) [17,24]. Bu çalışmalar, MM-UB ortak kültürlü organoidler üretti ve bunları, vaskülarize edilecekleri farelere nakletti. Bu metanefrik yüksek dereceli yapıların üretilmesi, kök hücreden türetilmiş böbrek yapısının gerçek insan böbreklerine benzerliğini önemli ölçüde arttırdı. Bununla birlikte, bu gelişmiş sistemler bile ikinci ve son trimesterler boyunca in vivo olarak meydana gelen daha kapsamlı UB dallanmasını özetlemeyi başaramamıştır [24]. Bu bulgular, endojen olgun böbrek fonksiyonlarını ve sıvı akışı gibi mevcut organoidlerde eksik olan etkileşimleri kopyalama ihtiyacının altını çiziyor.

3. Model Sistemler Olarak Böbrek Organoidleri

Böbrek organoidlerinin insan böbreklerine benzerliği onları hastalık modelleme ve ilaç taraması için uygun kılar. Bir aydan kısa sürede, kişiye özel ve toplu olarak üretilebilirler [12-14,17-19]. Ek olarak, in vitro olarak kültürlenebilirler veya tam in vivo modeller oluşturmak üzere farelere, sıçanlara veya civciv yumurtalarına nakledilebilirler. Aşağıda böbrek organoitleriyle gerçekleştirilebilecek analizlerin yanı sıra böbrek organoidlerinin biyomedikal araştırmalardaki mevcut ve gelecekteki kullanımlarını da inceleyeceğiz.

3.1. Böbrek Organoid Analizi

3.1.1. İn Vitro Tahliller

Böbrek organoidleri üzerinde çeşitli fizyolojik, moleküler ve fonksiyonel analizler yapılabilir. Moleküler analizler açısından, böbrek organoidlerinde farklı transkriptomik analizler başarıyla gerçekleştirilmiştir [25]. Örneğin Takasato ve ark. (2015) organoidlerden RNA çıkarmış ve RNA dizilimi ve qRTPCR analizleri gerçekleştirmiştir [20].

Wu ve diğerleri gibi diğerleri. (2018), böbrek organoidlerinde DropSeg scRNA dizilimine ek olarak çekirdek izolasyonu ve snRNA dizilimi gerçekleştirmiştir. RNA seviyelerine ek olarak, çeşitli protein seviyeleri de immünoblot yoluyla böbrek organoid lizatından ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır (örneğin, Cruz ve diğerleri, 2017; Morais ve diğerleri, 2022) [26,27]. Ayrıca, spesifik nefron yapılarını incelemek için böbrek organoidlerinde immünositokimya analizi rutin olarak gerçekleştirilmektedir. Bu genellikle bütün organoid boyama olarak gerçekleştirilir; alternatif olarak, sondalama için doku kesitleri de kullanılmıştır (örn. Takasato ve ark., 2015; Cruz ve ark., 2017) (20,26). Bu çalışmalar böbrek organoidlerinin glomerül, proksimal tübül, distal tübül, bazal membran ve toplama kanalı düzenlemesi (20,27). Aşağıdaki Şekil 3, Takasato ve diğerleri (2016) protokolü kullanılarak oluşturulan parafine gömülmüş ve kesitlere ayrılmış insan böbrek organoidlerinin bir örneğini göstermektedir (12)Bölüm glomerüler, proksimal tübül ve distal için boyanmıştır tübül işaretleyici proteinler içerir ve sürekli glomerüler ila distal tübül nefronik yapıları sergiler.Yapıların yanı sıra böbrek organoidlerinin de damar yapısı sergiledikleri bilinmektedir.Ancak sınırlıdır, hızla geriler ve tipik bir böbrekteki gibi organize değildir (28).

Böbrek organoidlerinde birden fazla fonksiyonel analiz de yapılabilir. Örneğin, Freedman ve ark. (2022), böbrek organoidleri, yeni floresan içermeyen ortamla değiştirilmeden önce ortama çeşitli floresan moleküllerin eklenebildiği darbe takip analizlerine tabi tutulabilir [29]. Organoidler daha sonra bu moleküllerin alımı açısından analiz edilebilir ve elde edilen bilgiler birikim, şişme, filtrasyon, endokrin veya yaralanma hakkında bilgi çıkarmak için kullanılabilir [29]. Bununla birlikte, organoid platformlarda bu tahlilin sorunlarından biri, moleküllerin, in vivo olarak meydana geleceği gibi, apikal yüzey yerine, kapalı boru şeklindeki yapılara dışarıdan verilebilmesidir. Bu nedenle, floresan moleküller dış bazolateral membrandan emilebilir, çünkü bu moleküllerin ortama büyük ölçüde dahil edildiğinde nereye gidebileceğini kontrol etmenin bir yolu yoktur. Ek olarak, moleküllerin taşınması organoidler içindeki difüzyonla sınırlanabilir, bu da aynı organoid içinde farklı birikim eğilimleri yaratabilir.

Ek olarak, böbrek onarımı organoid platformlarda da değerlendirilebilir, böylece böbrek hasarını tersine çevirme mekanizmaları ve hastaları böbrek hastalığına yatkın hale getirebilecek genetik temel hakkında bilgi edinilebilir. Örneğin Gupta ve ark. (2022), böbrek organoid platformlarında bir böbrek hasarı molekülü olan sisplatine tekli veya çoklu maruz kalma durumunda yukarı regüle edilen gen yollarını araştırmışlardır [30]. Son olarak, cAMP aktivasyonu yoluyla polikistik böbrek hastalığını (PKD) incelemek amacıyla organoidlerde kist oluşumu analiz edilebilir [26]. Kistler daha sonra ölçülebilir, niceliği belirlenebilir ve insan böbrek kistlerinin temsili olarak tedavi edilebilir.

3.1.2. Canlı Analizi

Model sistem olarak in vitro böbrek organoitlerinin kullanılmasının önemli bir dezavantajı, organizmanın geri kalanıyla etkileşiminin olmamasıdır. Vücudun uzak kısımlarını etkileyen çok sayıda durum böbreği etkileyebilir ve bunun tersi de geçerlidir. Örneğin, kan basıncındaki değişiklikler glomerüler basıncı büyük ölçüde değiştirebilir ve böbrek de bunu düzenleyebilir. Ancak in vitro organoid sistemler bu sistemik etkileşimleri hesaba katmaz. Bu nedenle farelerde, sıçanlarda ve civcivlerde insan kaynaklı böbrek organoidlerini içeren transplantasyon yaklaşımları araştırılmıştır. Bu tür çalışmalarda, insan ve hayvan dokuları, insan nükleer antijen immün boyaması veya Y kromozomu okumasının birleşik genom referansına göre hizalanması yoluyla ayırt edilir [21]. Ek olarak, daha yüksek düzeyde yapısal bütünlük sağlamak için organoidler bir iskele (örneğin ipek) aracılığıyla nakledilebilir [31]. Bu yaklaşım, organoid dokuya özgü analizlerin nakil sonrası daha kolay yapılmasına olanak sağlayabilir.

Böbrek organoitlerinin nakledilmesinin önemli bir avantajı, organoitlerin vaskülarizasyonunu, olgunlaşmasını ve hatta idrarı filtrelemesini sağlamasıdır. Van den Berg ve ark. (2018), farelere subkapsüler böbrek nakli sonrasında böbrek organoid glomerülleri ve tübüllerinin önemli ölçüde olgunlaştığını göstermiştir [32]. Başka bir çalışmada Subramanian ve ark. (2019), hiPSC'den türetilen organoidlerin farelere transplantasyonunun, proksimal ve distal tübül olgunlaşmasının artmasına ve organoid içinde hedef dışı hücre popülasyonlarının varlığının azalmasına yol açtığını göstermiştir [21]. Daha da önemlisi, nakil sonrası böbrek organoitleri böbreğin nihai işlevini, yani kanı filtrelemeyi gerçekleştirebilir. Farelerde deri altı transplantasyonundan sonra böbrek organoidleri, FITC etiketli dekstranın transferiyle kanıtlandığı gibi idrar filtreleyen yapılar oluşturdu [33]. Böylece, transplantasyon yalnızca böbrek organoidindeki bir mutasyonun in vivo etkilerinin incelenmesine olanak sağlamakla kalmaz, aynı zamanda organoidin insan böbreğine benzerliğini de geliştirir ve onu bir şekilde işlevsel bir sistem haline getirir.

Bağışıklık yetersizliği olan fareler genellikle hiPSC böbrek organoid nakli için kullanılırken, civciv koryoallantoik membranlar (CAM) gibi diğer konakçılar da kullanılmıştır. Bir CAM doğal olarak immün yetmezliğe sahiptir ve organoidin vaskülarizasyonuna yardımcı olur [16]. Bununla birlikte, tipik memeli organ sistemlerinden yoksundur, bu da farelerin aksine böbrek organoidlerinin diğer sistemlerden bağlantısını keser. Konakçıyla ilgili aksaklıklara rağmen, insandan türetilen böbrek organoitleriyle kimera üretimi, oldukça etkili bir platformda insan böbrek hastalığının kapsamlı in vivo çalışmasına olanak tanıyor.

3.2. Bugüne Kadar Yapılan Hastalık Modelleme Çalışmaları

3.2.1. Genetik Hastalık Modelleri Olarak Böbrek Organoidleri

Böbrek organoidleri tübüler ve glomerüler genetik böbrek hastalıklarını incelemek için kullanılmıştır [26,34,35]. İnsanlarda en belirgin tübüler hastalıklar arasında fibrokistik gendeki (PKHD1) otozomal resesif mutasyonlardan kaynaklanan pediatrik polikistik böbrek hastalığı (PKD) ve polikistin-1 ve polikistik gendeki (PKHD1) otozomal dominant mutasyonlardan kaynaklanan yetişkin PKD yer alır. -2 gen [36–38]. Bu mutasyonlar, CRISPR-Cas 9 sistemi gibi gen düzenleme teknolojileri aracılığıyla hiPSC'lere yapay olarak dahil edilebilir. Düzenlenen hiPSC'ler daha sonra PKD modelleme insan böbrek organoidlerine dönüştürülebilir ve protein boyama ve RNA profili oluşturma yoluyla analiz edilebilir. Örneğin Freedman ve ark. (2015) ve Cruz ve ark. (2017), CRISPR/Cas9 sistemini kullanarak hiPSC hatlarındaki polisistin genlerini devre dışı bırakmış ve ardından hastalıklı hastalarda in vivo olarak bulunan kistik fenotipi taklit eden organoidler türetmiştir [14,26]. Bu çalışmalar böbrek organoidlerinin PKD'yi incelemek için kolayca gözlemlenebilir, hastalıkla ilgili platformlar olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca, hastadan türetilmiş hücre hatlarından yapılan organoidler, hastaya özgü mutasyonlar ve hastalık gelişme olasılığı hakkında fikir sahibi olmamızı sağlar. Örneğin Low ve ark. (2019), PKHD1 mutasyonu olan hastalardan türetilmiş böbrek organoidleri geliştirmiş ve bunları vahşi tip organoidlerle karşılaştırmıştır [39]. Hastalıklı organoidler önemli ölçüde daha fazla kist oluşumu sergiledi, bu da böbrek organoidlerinin genotipten hastalık belirtilerini öngörme potansiyelini ortaya koydu [39]. Başka bir çalışmada Hernandez ve ark. (2021), hastayı böbrek tümörü gelişimine yatkın hale getiren tüberoz skleroz kompleksi-2 geninde mutasyon bulunan hastalardan hiPSC'ler türetmiştir [40]. Daha sonra hastadaki mutasyonu CRISPR/Cas9 sistemiyle düzelttiler. Bu düzeltilmiş izojenik mutant soylarından elde edilen böbrek organoidleri, hastalıklı organoidlere kıyasla azalmış kist oluşumu ve restore edilmiş gen yolları sergiledi; böylece böbrek organoidlerinin, izojenik organ benzeri sistemlerdeki belirli mutasyonların aşağı yöndeki fonksiyonel etkilerinin incelenmesinde kullanışlılığı ortaya çıktı.

Araştırmacılar ayrıca glomerulusu etkileyen genetik hastalıklar hakkında fikir edinmek için hastalardan elde edilen organoidleri kullandılar. Örneğin Hale ve ark. (2018), mutasyona uğraması durumunda hatalı podosit ayak süreci oluşumuna ve idrar filtrasyonunda sızıntıya neden olarak böbrek hastalığına neden olan NPHS1 (nefrin) genine odaklanmıştır [34]. Hale ve ark. (2018), azalmış podosit spesifik proteinler, nefrin ve podosin seviyeleri de dahil olmak üzere bu hatalı podosit ayak süreçlerini modelleyen böbrek organoitlerini türetmek için hastadan türetilmiş mutant NPHS1 hiPSC'leri kullanmıştır [34]. Benzer şekilde Freedman ve ark. (2015), hiPSC'lerdeki glomerüler gen PODXL'i devre dışı bıraktı ve organoidlerin hatalı podosit-podosit mimarisi gösterdiğini buldu [14].

Böbrek organoitlerinin büyük ölçüde kullanılmayan bir potansiyeli, embriyonik ve fetal kusurları modelleme yetenekleridir. Şu anda araştırmacılar yetişkin insan böbreğini böbrek organoidi ile modellemeye çalışıyor. Bununla birlikte, mevcut birinci ve ikinci trimester durumunda böbrek organoidi, gelişimsel böbrek kusurlarını incelemek için kullanılabilir [41]. Böbrek displazisi gibi üriner sistem gelişim bozuklukları en yaygın ve ciddi gelişimsel bozukluklar arasındadır [42]. Bu hastalıkların çoğu 11 hafta kadar erken bir zamanda tespit edilebildiğinden, böbrek organoitleri konjenital böbrek bozukluklarının araştırılmasında özellikle iyi bir seçimdir. Elimizde yalnızca metanefrik ilk ve ikinci trimester benzeri böbrek organoidleri değil, aynı zamanda embriyonik ve fetal kusurları incelemek için ilkel mezonefrik böbrek hücre dizilerimiz de var (örneğin, Tsujimoto ve ark., 2020) [24]. Gelişmekte olan bir insan böbreğinin incelenmesine ve manipülasyonuna izin veren çok az sistem olduğundan, böbrek organoidi fetal genetik, toksikolojik ve gelişimsel çalışmalar için muazzam bir potansiyele izin verir.

3.2.2. Diğer Hastalıklara Model Olarak Böbrek Organoidleri

Genetik hastalıklara ek olarak böbrek organoidleri, insan sistemlerinin viral enfeksiyona, kansere ve yaralanmaya verdiği tepkiyi incelemek için de kullanıldı. Örneğin Jansen ve ark. (2021), viral SARS-CoV-2'nin insan böbrekleri üzerindeki etkilerini değerlendirmek için böbrek organoid platformu kullanmıştır [43]. Bu grup, SARS-CoV-2 enfeksiyonunun insan böbrek organoitlerinde kollajen-I ekspresyonunun artmasına yol açtığını keşfetti, böylece ciddi uzun süreli COVID-19 vakalarına sıklıkla eşlik eden böbrek hasarı ve fibrozis için mekanik bir açıklama sağladı. 43]. Kanser araştırmalarıyla ilgili olarak Hernandez ve ark. (2021), genetik olarak etkilenen nadir böbrek tümörlerini modellemek için böbrek organoidlerini bağışıklık sistemi yetersiz farelere nakletti. Burada hastadan türetilen organoidler tümör benzeri lezyonlar geliştirdi, böylece insan böbrek tümörlerini özetledi [40]. Ek olarak, böbrek organoid bazlı tümör modellerini yarı fonksiyonlu insan kaynaklı yapılar olarak kullandılar ve ilaçları ve nanoparçacık bazlı tedavileri test ettiler. Son olarak, son çalışmalar böbrek organoidlerinin böbrek hasarı tepkisini test etmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Örneğin Prezpiorski ve ark. (2022), böbrek organoidlerinin, bir biyosensörle birlikte böbrek organoidlerine hasar molekülü hemin uygulayarak oksidatif hasar belirteçleri ürettiğini ve hasar belirteç ifadesinin arttığını gösterdi [44].

3.2.3. İlaç Değerlendirmesinde Böbrek Organoidleri

Böbrek organoitleri hastalıklara dair bilgi sağlamanın yanı sıra ilaçları taramak için de kullanılıyor. Özellikle, akut böbrek hasarının önde gelen nedeni olan ilaca bağlı böbrek hasarını (DIKI) incelemek için böbrek organoidleri kullanılmıştır [45]. Sisplatin yan etkilerinin değerlendirilmesinde Czerniecki ve ark. (2018), böbrek organoidlerinin, çeşitli insan genetiği dizisindeki yeni farmasötiklerin incelenmesinde yüksek verimli modeller olarak yararlı olduğunu gösterdi [46].

Wu ve diğerleri gibi diğerleri. (2018), böbrek organoidlerinde DropSeg scRNA dizilimine ek olarak çekirdek izolasyonu ve snRNA dizilimi gerçekleştirmiştir. RNA seviyelerine ek olarak, çeşitli protein seviyeleri de immünoblot yoluyla böbrek organoid lizatından ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır (örneğin, Cruz ve diğerleri, 2017; Morais ve diğerleri, 2022) [26,27]. Ayrıca, spesifik nefron yapılarını incelemek için böbrek organoidlerinde immünositokimya analizi rutin olarak gerçekleştirilmektedir. Bu genellikle bütün organoid boyama olarak gerçekleştirilir; alternatif olarak, sondalama için doku kesitleri de kullanılmıştır (örn. Takasato ve ark., 2015; Cruz ve ark., 2017) (20,26). Bu çalışmalar böbrek organoidlerinin glomerül, proksimal tübül, distal tübül, bazal membran ve toplama kanalı düzenlemesi (20,27). Aşağıdaki Şekil 3, Takasato ve diğerleri (2016) protokolü kullanılarak oluşturulan parafine gömülmüş ve kesitlere ayrılmış insan böbrek organoidlerinin bir örneğini göstermektedir (12)Bölüm glomerüler, proksimal tübül ve distal için boyanmıştır tübül işaretleyici proteinler içerir ve sürekli glomerüler ila distal tübül nefronik yapıları sergiler.Yapıların yanı sıra böbrek organoidlerinin de damar yapısı sergiledikleri bilinmektedir.Ancak sınırlıdır, hızla geriler ve tipik bir böbrekteki gibi organize değildir (28).

Şekil 4. Böbrek organoidlerinin hastalığı modellemek için kullanılabileceği yolların özeti. Böbrek organoidlerinin di modellemek için kullanılabileceği yolların özeti