نمذجة المرض مع عضويات الكلى

خلاصة:أمراض الكلىغالبًا ما تفتقر إلى العلاجات المثلى، مما يتسبب في وفاة الملايين كل عام. وبالتالي تطوير النظم النموذجية المناسبة للدراسةمرض الكلى البشريله أهمية قصوى. بعض نماذج الكلى البشرية الواعدة هي العضيات أو مجموعات الأنسجة الصغيرة التي تشبه الأعضاء، المستمدة من الخلايا الجذعية المحفزة التي يسببها الإنسان (hiPSCs). ومع ذلك، فهي أقرب إلى الثلث الأول من الحملكلية الجنينمن الكلى البالغة. ولذلك، هناك حاجة إلى استراتيجيات جديدة لتعزيز نضجها. لديهم إمكانات كبيرة لنمذجة المرض والعلاج المساعد في نهاية المطاف إذا تمكنوا من الوصول إلى مرحلة النضجالكلى البالغة. في هذه المراجعة، سنناقش الوضع الحالي لعضيات الكلى من حيث تشابهها مع الكلى البشرية واستخدامها كنظام لنمذجة الأمراض حتى الآن. وسنناقش بعد ذلك المسارات المحتملة للمضي قدمًانضج الكلىأجسام عضوية لتتناسب مع كلية بالغة من أجل نمذجة أكثر دقة للأمراض البشرية.

الكلمات الدالة: عضوي.كلية; تطوير؛ ميتانيفروس. الحالب. أنبوبي. رقاقة؛ أمراض الكلى. نمذجة المرض

انقر هنا للحصول على فرصة لعلاجات مرض الكلى المزمن

1 المقدمة

حتى وقت قريب، تم تصميم نماذج الأمراض البشرية بالطريقتين التاليتين: مع الحيوانات أو مع زراعة الخلايا ثنائية الأبعاد. تسمح النماذج الحيوانية بدراسة مسارات المرض وتطوير الأدوية في الكائنات الحية بأكملها، لكنها لا تأخذ في الاعتبار التركيب الجيني والتشريحي البشري. ومن ناحية أخرى، تسمح زراعة الخلايا البشرية للعلماء بدراسة آليات الأمراض الخاصة بالبشر وتقييم العلاجات على عمق جزيئي كبير ودقيق. ومع ذلك، فإن زراعة الخلايا لا تلخص البنية المعقدة ثلاثية الأبعاد للعضو وعلم وظائف الأعضاء.

العضيات البشرية هي نسخ مبسطة من الأعضاء البشرية، مع تشريح مجهري واقعي ثلاثي الأبعاد ووظائف على مستوى العضو (على سبيل المثال، إنتاج الدموع في العضيات اللبنية ونمو الشعر في العضيات الجلدية) [1،2]. ومن خلال عمليات التنظيم الذاتي، يتم استخلاصها في المختبر من خلايا الأنسجة أو الخلايا الجذعية متعددة القدرات. الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs)، التي اخترعها تاكاهاشي وياماناكا في عام 2008، هي الخلايا الأكثر شيوعًا لتكوين العضيات [3]. ويرجع ذلك إلى العديد من المزايا الجذابة التي تقدمها iPSCs. أولاً، أنها توفر مصدرًا خلويًا متجددًا غير محدود ويمكنها التمايز إلى أنواع خلايا متعددة. والأهم من ذلك أنها تمثل التركيب الجيني الأساسي للمرضى. وبالتالي، يمكن استخدام iPSCs البشرية المشتقة من المريض (hiPSCs) لدراسة المرض عن طريق الأعضاء العضوية على المستوى الفردي، مما يسمح بالتقدم في الطب الشخصي. حتى الآن، تم استخدام نماذج عضوية لمختلف الأعضاء البشرية، مثل القلب والدماغ، لدراسة الأمراض. في هذه المراجعة، سوف نركز على عضيات الكلى ونناقش كيفية استخدامها لنمذجة الكلى البشرية والأمراض المرتبطة بها، وفحص سمية الدواء، وربما تكملة وظائف الكلى.

تصيب أمراض الكلى 10% من سكان العالم[4]. على الرغم من تحديد السبب الجيني الكامن وراء العديد من أشكال أمراض الكلى، لا توجد علاجات مثالية متاحة لإدارتها. يعكس هذا الوضع المؤسف عدم وجود أنظمة نموذجية في المختبر تلخص أمراض الكلى البشرية من أجل التطوير العلاجي المستهدف. توفر عضيات الكلى منصة بحثية ثلاثية الأبعاد قابلة للتخصيص 3- تعتمد على الإنسان للتحقيق في أمراض الكلى الوراثية وإصابات الكلى وسمية الأدوية. إلى جانب قدرته على العمل كنظام نمذجة، يمتلك عضو الكلى القدرة على تطوير طب زراعة الأعضاء. وبالتالي، لتعظيم إمكاناتها في كلا المجالين، يجب أن يشبه عضوي الكلى بنية ووظيفة الكلى البشرية البالغة. هنا، سوف نقوم بمراجعة الحالة الراهنة للعضوية الكلية البشرية المشتقة من الخلايا المتعددة القدرات، واستخداماتها المحتملة، ومجالات التحسين.

2. الكلى البشرية مقابل عضويات الكلى

تعمل HiPSCs كوكلاء لـ PSCs الجنينية. وهكذا، فإن تشكيل عضوي الكلى من hiPSCs يستلزم تكرار نمو الكلى الجنينية البشرية. أدناه، سوف نستكشف كيفية تطوير عضوي الكلى ومقارنته بالكلية البشرية.

2.1. تنمية الكلى البشرية

يتم تصفية الدم في ثلاث مراحل متميزة طوال التطور الجنيني. في المرحلة الأولى، يتطور هيكل يُسمى سليفة الكلوة في الجنين البشري البالغ من العمر 4-ويقوم بمعالجة الدم في منطقة عنق الرحم حتى الأسبوع الخامس تقريبًا [5]. بعد ذلك، تتشكل الكلية المتوسطة في المنطقة الصدرية للجنين وتقوم بتصفية الدم من بداية الأسبوع الخامس وحتى الأسبوع العاشر تقريبًا من التطور الجنيني. بينما تقوم الكلية المتوسطة بتصفية الدم، فإن نظام الترشيح النهائي، والذي سيصبح في النهاية هوالكلى البالغةيبدأ بالتشكل (الشكل 1). ويتشكل في الجزأين التاليين: اللحمة المتوسطة للكلية التالية وبرعم الحالب. يشكل اللحمة المتوسطة للكلية جميع أجزاء النيفرون باستثناء القناة الجامعة، في حين يشكل برعم الحالب القناة الجامعة. تمر هذه الهياكل بدورة تحريض متبادلة، حيث يحفز اللحمة المتوسطة للكلية التالية وبرعم الحالب نمو بعضهما البعض ويندمجان، ليشكلا بنية تسمى بالكلية المتوسطة. تقوم الكلية المتكونة حديثًا بتصفية الدم من الفروع الحرقفية وصولاً إلى منطقة الحوض. وفي الوقت نفسه، يتشعب برعم الحالب ويستمر في التفرع ليشكل العديد من القنوات الجامعة داخل الكلية [6،7]. بعد ذلك، تصعد هذه الهياكل الكلوية اللاحقة المندمجة إلى منطقة البطن للجنين أثناء نموها وتزويدها بإمدادات الدم من الشريان الأورطي البدائي. تم تلخيص هذه العمليات في الشكل 1. ومن المهم ملاحظة أن الخلايا اللحمية المتوسطة وخلايا برعم الحالب بدائية، وبالتالي تحافظ على إمكانات متعددة القدرات، في حين أن خلايا الكلى المتمايزة البالغة ملتزمة بنسبها الخاصة [8].

الشكل 1. تطور الجهاز البولي البشري من الأسابيع 4 إلى 9 في الرحم.

2.2. بروتوكولات لتوليد أورجانويدات الكلى

يمكن تشكيل عضويات الكلى من الخلايا المتمايزة المشتقة من الأنسجة أو الخلايا الجذعية متعددة القدرات. لتطوير عضوي الكلى من الخلايا المشتقة من الأنسجة، يمكن للمرء ترتيب الخلايا البالغة المتمايزة في الفضاء ثلاثي الأبعاد خارج الجسم الحي لتقليد بنية الأعضاء البشرية [9]. يتم تناول البروتوكولات العضوية للخلايا المتمايزة المشتقة من الأنسجة في مكان آخر. في هذه المراجعة، سوف نركز على عضويات الكلى المشتقة من الخلايا الجذعية. لإنشاء هذه الأنظمة، قد يقوم العلماء بزراعة خلايا جذعية متعددة القدرات في وجود مورفوجينات داخلية خاصة بالكلية ومكونات خارج الخلية. يمكن للخلايا الجذعية بعد ذلك أن تتجمع ذاتيًا لتشكل هياكل تشبه الكلى، لمحاكاة نمو الكلى الجنينية. تحتوي الأعضاء، مثل الأمعاء، على مجموعات من الخلايا الجذعية الذاتية في الأنسجة البالغة والتي يمكن للعلماء أن يصنعوا بها عضويات [10]. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود دليل واضح على أن الكلية البشرية البالغة تحتوي على مكان من الخلايا الجذعية، يجب تصنيع عضويات الكلى المشتقة من الخلايا الجذعية من خلايا جذعية متعددة القدرات (إما جنينية أو hiPSC) [11].

يمكن تصنيف عضيات الكلى المشتقة من الخلايا الجذعية إلى الفئتين التاليتين: عضيات سلف النيفرون (NP) وعضيات برعم الحالب (UB). لقد تم إثبات كلا النوعين من الكائنات العضوية كنماذج للأمراض. تشبه الكائنات العضوية NP اللحمة المتوسطة التي تحتوي على خلايا NP متعددة القدرات. في الواقع، يمكن لخلية لحمية متوسطة واحدة أن تؤدي إلى ظهور جميع الخلايا الظهارية للنفرون، باستثناء قناة التجميع [8]. تشتمل منهجيات توليد المواد العضوية NP المشتقة من hiPSC على ثقافة ثنائية الأبعاد مع تجميع لاحق في لوحة ترانسويل مسامية (على سبيل المثال، تاكاساتو وآخرون (2016)، موريزان وآخرون (2015)) أو ثقافة ثلاثية الأبعاد في هيدروجيل (على سبيل المثال، فريدمان وآخرون) (2015)) [12-14]. تقوم هذه الكائنات العضوية بتطوير الهياكل الكبيبية والأنبوبية. تمت مقارنة المواد العضوية NP المستمدة من اثنين من بروتوكولات NP الأكثر شيوعًا بواسطة Takasato وMorizane في تحليل omics واسع النطاق أجراه Wu et al. (2018) [15]. ووجدوا أنه في حين أن بروتوكول تاكاساتو يولّد حوالي 11% من الخلايا الشبيهة بالخلايا البودوسيتية و21% من الخلايا غير المستهدفة لكل عضوي، فإن بروتوكول موريزان يولد حوالي 28.5% من الخلايا الشبيهة بالخلايا البودوسيتية و14.3% من الخلايا غير المستهدفة [15]. يبدو أيضًا أن عضيات تاكاساتو تطور كمية صغيرة من المناطق الشبيهة بـ UB ولكنها في الغالب تحاكي اللحمة المتوسطة للكلية التالية، وبالتالي تصنفها على أنها عضيات NP [12]. وعلاوة على ذلك، موريزان وآخرون. (2015) وتاكاساتو وآخرون. (2016) تفتقر البروتوكولات إلى بيئة هيدروجيل خارج الخلية الموجودة في عمل فريدمان وآخرون (2015) [14]. غاريتا وآخرون. (2019) يجادل بأن وجود هيدروجيل في تكوين العضو العضوي يحسن تكوين بنية الكلى ويعزز إنتاج علامات IM المبكرة وعلامات IM الخلفية وعلامات IM الأمامية [16].

وعلى النقيض من العضيات NP، فإن العضيات UB تحاكي برعم الحالب، مما يؤدي إلى ظهور نظام القنوات الجامعة. تم تطوير طرق توليد المواد العضوية UB مؤخرًا وتشمل زراعة الجسم الجنيني وتجميعه لاحقًا في الآبار منخفضة الالتصاق [17]. تحتوي هذه الكائنات العضوية على هياكل أنبوبية وقنوات تجميعية. أخيرًا، تم أيضًا الجمع بين المواد العضوية NP وUB لإنشاء هياكل ثقافة مشتركة عالية الترتيب لتلخيص الإنسان البالغ.أنماط الكلى[17]. البروتوكولات الأكثر شعبية لعضوي الكلىتم تلخيص التكوين في الشكل 2 أدناه [12-14،17-19].

الشكل 2. ملخص لبروتوكولات تشكيل العضو الأكثر شعبية

2.3. كيف يتكدسون: عضيات الكلى مقابل الكلى البشرية

تتضمن البروتوكولات الموصوفة أعلاه في المقام الأول التجميع الذاتي لـ hiPSCs في الأعضاء العضوية. إنها تحاكي ظروف الجنين لحث الخلايا hiPSCs على التمايز إلى سلالات محددة للكلى وتشكيل هياكل خاصة بالكلى. الحالة الجنينية الأولى التي يكررونها هي الإشارة الخطية البدائية. الخط البدائي هو جزء من الجنين يتطور قبل أن تنفصل الطبقات الجرثومية الثلاث. تقوم معظم البروتوكولات بذلك عن طريق استخدام ناهض إشارات WNT CHIR. بعد ذلك، بالنسبة لاشتقاق سلالة NP، يجب تحفيز الأديم المتوسط ​​الخلفي (PIM)، وبالنسبة لسلالة UB، يجب تحفيز الأديم المتوسط ​​الأمامي (AIM) [17]. ومن المثير للاهتمام أن تاكاساتو وآخرون. (2015) وجد أنه كلما طالت فترة إدارة CHIR، تطور الأديم المتوسط ​​الشبيه بالخلف، في حين كلما قصرت الفترة، تطور الأديم المتوسط ​​الشبيه بالأمام [20]. وبالتالي، تؤدي زيادة مدة إشارة WNT إلى توليد المزيد من البنية الكبيبية والدانية، ويؤدي انخفاض مدة إشارة WNT إلى توليد بنية أكثر بعدًا.

عند الانتهاء من بروتوكول NP، تتطور الأعضاء العضوية مع كل من المناطق الكبيبية والأنبوبية. ومع ذلك، فهم غير ناضجين. أظهرت الدراسات أن عضيات الكلى المشتقة من hiPSC تحاكي الجنين في الأشهر الثلاثة الأولى [20]. تم إجراء أحد التحليلات الأكثر شمولاً حول هذا الموضوع بواسطة Subramanian et al. (2019)، الذي استخدم RNA-seq لمقارنة عضويات الكلى بـ 8-أسبوع، و17-أسبوع، والكلى البشرية البالغة. وخلصوا إلى أن عضيات الكلى تشبه الكلى البشرية في الأسبوعين الثامن والسابع عشر عند الجنين أكثر منها في الكلى البالغة [21]. علاوة على ذلك، تظهر عضويات الكلى تلطيخًا لعلامات بدائية متعددة القدرات مثل SIX2+ في جميع أنحاء الكلى، في حين أن الكلى البشرية المتمايزة البالغة لا تعبر عن مثل هذه العلامات [22]. لذلك، لاستخدام عضوي الكلى كبديل للكلية البشرية البالغة لدراسة المرض، يجب أن تتقدم في عمر الحمل.

قد لا تحاكي عضيات الكلى الكليتين الماورائيتين بشكل أكثر قربًا من الكلى البشرية البالغة الصحيحة فحسب، ولكنها قد تشبه الكلية المتوسطة بشكل أكبر من الكليتين الماورائيتين إذا تم تنظيم تركيز المورفوجين بشكل غير صحيح [23]. معالجة هذه المخاوف، تسوجيموتو وآخرون. (2020) تم التحقيق في تمايز hiPSC في المختبر إلى NPs للكلية المتوسطة، وNPs metanephric، وخلايا UB [24]. حددت هذه الدراسة العديد من العوامل التي تميز هذه الأنساب الثلاثة، وبالتالي يمكن تطبيقها على الدراسة المستقبلية لهذه الأنظمة الثلاثة المتميزة [24]. تشمل التطورات الرئيسية الأخرى في نضوج الأعضاء العضوية تفاعلات NP-UB والأوعية الدموية. تم إجراء بعض أبرز الدراسات لمعالجة هذه القضايا بواسطة تاجوتشي ونيشيناكامورا (2017) وتسوجيموتو وآخرون. (2020) [17,24]. أنتجت هذه الدراسات أجسامًا عضوية تمت زراعتها بشكل مشترك في MM-UB وزرعتها في الفئران، حيث تم تحويلها إلى أوعية دموية. أدى توليد هذه الهياكل ذات الترتيب العالي لما بعد الكلية إلى تطوير بنية الكلى المشتقة من الخلايا الجذعية بشكل ملحوظ لتشبه الكلى البشرية الفعلية. ومع ذلك، حتى هذه الأنظمة المتقدمة لم تكن قادرة على تلخيص تفرع UB الأكثر شمولاً والذي يحدث خلال الثلث الثاني والأخير من الحمل في الجسم الحي [24]. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى تكرار وظائف الكلى الناضجة الداخلية والتفاعلات التي تفتقر إليها العضيات الحالية، مثل تدفق السوائل.

3. عضويات الكلى كأنظمة نموذجية

إن تشابه عضيات الكلى مع الكلى البشرية يجعلها مناسبة لنمذجة الأمراض وفحص الأدوية. ويمكن تصنيعها في أقل من شهر، وتخصيصها للفرد، وإنتاجها بكميات كبيرة [12-14،17-19]. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استزراعها في المختبر أو زرعها في الفئران أو الجرذان أو بيض الكتاكيت لتكوين نماذج كاملة في الجسم الحي. أدناه، سوف نستكشف التحليل الذي يمكن إجراؤه على عضيات الكلى، بالإضافة إلى الاستخدامات الحالية والمستقبلية لعضيات الكلى في أبحاث الطب الحيوي.

3.1. تحليل عضوي الكلى

3.1.1. في فحوصات المختبر

يمكن إجراء فحوصات فسيولوجية وجزيئية ووظيفية مختلفة على عضويات الكلى. فيما يتعلق بالمقايسات الجزيئية، تم إجراء تحليلات نصية مختلفة بنجاح في عضويات الكلى [25]. على سبيل المثال، تاكاساتو وآخرون. (2015) استخرج الحمض النووي الريبي (RNA) من المواد العضوية وأجرى تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) وتحليلات qRTPCR [20].

آخرون، مثل وو وآخرون. (2018) قاموا بعزل النوى وتسلسل snRNA، بالإضافة إلى تسلسل DropSeg scRNA في عضويات الكلى. بالإضافة إلى مستويات الحمض النووي الريبي (RNA)، تم قياس مستويات البروتين المختلفة ومقارنتها من المحللة العضوية الكلوية عبر الكتلة المناعية (على سبيل المثال، Cruz et al.، 2017؛ Morais et al، 2022) [26،27]. علاوة على ذلك، تم إجراء تحليل الكيمياء المناعية بشكل روتيني في عضويات الكلى لفحص هياكل النيفرون المحددة. غالبًا ما يتم إجراء ذلك على شكل تلطيخ عضوي كامل؛ وبدلاً من ذلك، تم أيضًا استخدام أقسام الأنسجة للفحص (egTakasato et al, 2015; Cruz et al., 2017) (20,26). وقد كشفت هذه الدراسات أن عضويات الكلى تظهر الكبيبات، والنبيبات القريبة، والنبيبات البعيدة، والغشاء القاعدي، و ترتيب قنوات التجميع (20، 27). يوضح الشكل 3 أدناه مثالاً على عضويات الكلى البشرية المضمنة والمقطعة من البارافين والتي تم إنشاؤها باستخدام بروتوكول تاكاساتو وآخرين (2016) (12) تم تلوين القسم للنبيبات الكبيبية والدانية والبعيدة بروتينات علامة النبيبات وتظهر هياكل كلوية كبية مستمرة إلى الأنابيب البعيدة. إلى جانب الهياكل، من المعروف أن عضويات الكلى تظهر أوعية دموية أيضًا. ومع ذلك، فهي محدودة، وتتراجع بسرعة، وغير منظمة كما هو الحال في الكلى النموذجية (28).

يمكن أيضًا إجراء فحوصات وظيفية متعددة في عضويات الكلى. على سبيل المثال، كما وصفها فريدمان وآخرون. (2022)، قد تخضع عضويات الكلى لفحوصات مطاردة النبض، حيث يمكن إضافة جزيئات فلورسنت مختلفة إلى الوسائط قبل استبدالها بوسائط جديدة تفتقر إلى الفلورسنت [29]. يمكن بعد ذلك تحليل العضيات لاستيعاب هذه الجزيئات، ويمكن استخدام المعلومات الناتجة لاستنتاج معلومات عن التراكم أو التورم أو الترشيح أو الغدد الصماء أو الإصابة [29]. ومع ذلك، إحدى المشكلات المتعلقة بهذا الاختبار في المنصات العضوية هي أنه قد يتم إدخال الجزيئات خارجيًا إلى الهياكل الأنبوبية المغلقة بدلاً من السطح القمي، كما يحدث في الجسم الحي. وبالتالي، يمكن امتصاص جزيئات الفلورسنت من الغشاء القاعدي الجانبي الخارجي، حيث لا توجد طريقة للتحكم في المكان الذي قد تذهب إليه هذه الجزيئات عند إدخالها بشكل صارخ إلى الوسائط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون نقل الجزيئات محدودًا عن طريق الانتشار داخل العضيات، مما يخلق اتجاهات مختلفة في التراكم داخل نفس العضيات.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تقييم إصلاح الكلى في منصات عضوية، مما يسمح بإلقاء نظرة ثاقبة على آليات عكس إصابة الكلى والأساس الجيني الذي قد يعرض المرضى للإصابة بأمراض الكلى. على سبيل المثال، دراسات مثل غوبتا وآخرون. (2022) قاموا بالتحقيق في مسارات الجينات التي تم تنظيمها في وجود تعرضات فردية أو متعددة للسيسبلاتين، وهو جزيء إصابة الكلى، في المنصات العضوية الكلوية [30]. وأخيرًا، يمكن تحليل تكوين الكيس في الأعضاء العضوية بغرض دراسة مرض الكلى المتعدد الكيسات (PKD) عبر تنشيط cAMP [26]. يمكن بعد ذلك قياس الأكياس وتحديد كميتها ومعالجتها كبديل لأكياس الكلى البشرية.

3.1.2. في تحليل الجسم الحي

من العوائق الكبيرة لاستخدام عضيات الكلى في المختبر كنظام نموذجي هو افتقارها إلى التفاعل مع بقية الكائن الحي. هناك عدد كبير من الحالات التي تؤثر على أجزاء بعيدة من الجسم يمكن أن تؤثر على الكلى والعكس صحيح. على سبيل المثال، يمكن للتغيرات في ضغط الدم أن تغير الضغط الكبيبي بشكل جذري، والذي يمكن للكلية بدورها تنظيمه. ومع ذلك، في المختبر، لا تأخذ الأنظمة العضوية في الاعتبار هذه التفاعلات النظامية. وهكذا، تم استكشاف أساليب زرع الأعضاء التي تنطوي على عضويات الكلى المشتقة من الإنسان في الفئران والجرذان وبيض الكتاكيت. في مثل هذه الدراسات، يتم تمييز الأنسجة البشرية والحيوانية عن طريق التلطيخ المناعي للمستضد النووي البشري أو محاذاة قراءة الكروموسوم Y لمرجع الجينوم المدمج [21]. بالإضافة إلى ذلك، يمكن زرع الأعضاء العضوية عبر سقالة (على سبيل المثال، الحرير) لتوفير مستوى أعلى من السلامة الهيكلية [31]. قد يسمح هذا النهج بإجراء تحليلات أسهل خاصة بالأنسجة العضوية بعد عملية الزرع.

الميزة الرئيسية لزراعة عضيات الكلى هي أنها تسمح للعضويات بتكوين الأوعية الدموية، والنضوج، وحتى تصفية البول. فان دن بيرج وآخرون. (2018) أظهر أنه بعد زرع الكلى تحت المحفظة في الفئران، تنضج الكبيبات والأنابيب العضوية الكلوية بشكل ملحوظ [32]. وفي دراسة أخرى، سوبرامانيان وآخرون. (2019) أظهر أن زرع الأعضاء العضوية المشتقة من hiPSC في الفئران يؤدي إلى زيادة نضج الأنابيب القريبة والبعيدة وانخفاض وجود مجموعات الخلايا غير المستهدفة داخل العضو العضوي [21]. والأهم من ذلك، أنه بعد عملية الزرع، يمكن للعضويات الكلوية أن تؤدي الوظيفة النهائية للكلية، وهي تصفية الدم. بعد زرع الأعضاء تحت الجلد في الفئران، شكلت عضويات الكلى هياكل لتصفية البول، كما يتضح من نقل ديكستران المسمى FITC [33]. وبالتالي، لا تسمح عملية الزرع للمرء بدراسة تأثيرات الطفرة في عضوي الكلى في الجسم الحي فحسب، بل إنها تعمل أيضًا على تحسين تشابه العضو العضوي مع الكلية البشرية وجعلها نظامًا وظيفيًا إلى حد ما.

في حين أن الفئران التي تعاني من عوز المناعة غالبًا ما تستخدم في زراعة الأعضاء الكلوية hiPSC، فقد تم أيضًا استخدام مضيفين آخرين، مثل أغشية المشيمية الأنتويكية (CAM). إن CAM يعاني من نقص المناعة بشكل طبيعي ويؤدي إلى توعية الأعضاء العضوية [16]. ومع ذلك، فهي تفتقر إلى أنظمة أعضاء الثدييات النموذجية، مما يجعل عضيات الكلى منفصلة عن الأنظمة الأخرى، على عكس الفئران. على الرغم من النكسات المرتبطة بالمضيف، فإن توليد الوهم باستخدام عضويات الكلى المشتقة من الإنسان يسمح بإجراء دراسة مكثفة في الجسم الحي لأمراض الكلى البشرية في منصة شديدة التأثير.

3.2. دراسات نمذجة المرض التي أجريت حتى الآن

3.2.1. عضويات الكلى كنماذج للأمراض الوراثية

تم استخدام عضويات الكلى لدراسة أمراض الكلى الوراثية الأنبوبية والكبيبية [26،34،35]. في البشر، تشمل أبرز الأمراض الأنبوبية مرض الكلى المتعدد الكيسات عند الأطفال (PKD)، والذي ينتج عن طفرات جسمية متنحية في الجين الليفي (PKHD1)، ومرض الكلى المتعدد الكيسات عند البالغين، والذي ينتج عن طفرات جسمية سائدة في البوليسيستين -1 و -2 الجينات [36-38]. قد يتم إدخال هذه الطفرات بشكل مصطنع إلى الخلايا hiPSCs عبر تقنيات تحرير الجينات، مثل نظام CRISPR-Cas 9. يمكن في وقت لاحق زراعة hiPSCs المحررة في عضيات الكلى البشرية لنمذجة PKD وتحليلها عن طريق تلطيخ البروتين وتنميط الحمض النووي الريبي (RNA). على سبيل المثال، فريدمان وآخرون. (2015) وكروز وآخرون. (2017) تخلصوا من جينات البوليسيستين في خطوط hiPSC باستخدام نظام كريسبر/كاس9 ثم اشتققوا عضويات تحاكي النمط الظاهري الكيسي الموجود في الجسم الحي لدى المرضى المرضى [14،26]. تظهر هذه الدراسات أنه يمكن استخدام عضيات الكلى كمنصات يمكن ملاحظتها بسهولة وذات صلة بالمرض لدراسة PKD. علاوة على ذلك، فإن المواد العضوية المصنوعة من خطوط الخلايا المشتقة من المريض تسمح بإلقاء نظرة ثاقبة على الطفرات الخاصة بالمريض واحتمال تطور المرض. على سبيل المثال، لو وآخرون. (2019) قام بتطوير عضويات الكلى المستمدة من المرضى الذين يعانون من طفرات PKHD1 ومقارنتها بالعضويات العضوية من النوع البري [39]. أظهرت العضيات المريضة تكوينًا أكبر للكيس بشكل ملحوظ، مما يدل على قدرة العضيات الكلوية على التنبؤ بمظهر المرض من النمط الوراثي [39]. وفي دراسة أخرى، هيرنانديز وآخرون. (2021) مشتق من hiPSCs من المرضى الذين يعانون من طفرات في جين مركب التصلب الحدبي -2، مما يجعل المريض عرضة لتطور ورم الكلى [40]. ثم قاموا بتصحيح طفرة المريض باستخدام نظام كريسبر/كاس9. أظهرت عضويات الكلى من هذه الخطوط الطافرة المتساوية المصححة انخفاضًا في تكوين الكيس واستعادت مسارات الجينات مقارنة بالعضويات المريضة، مما يدل على فائدة عضويات الكلى في دراسة التأثيرات الوظيفية النهائية لطفرات محددة في الأنظمة الشبيهة بالأعضاء متساوية المنشأ.

استخدم الباحثون أيضًا الأعضاء العضوية المشتقة من المريض للحصول على نظرة ثاقبة للأمراض الوراثية التي تؤثر على الكبيبة. على سبيل المثال، هيل وآخرون. (2018) ركز على جين NPHS1 (nephrin)، والذي، إذا تحور، يؤدي إلى تكوين عملية القدم البودوسيت الخاطئة وترشيح البول المتسرب، مما يؤدي إلى أمراض الكلى [34]. هيل وآخرون. (2018) استخدم NPHS1 hiPSCs المتحولة المشتقة من المريض لاستخلاص عضويات الكلى التي صممت عمليات القدم البودوسيتية الخاطئة هذه، بما في ذلك انخفاض مستويات البروتينات الخاصة بالبودوسيت، والنفرين، والبودوسين [34]. وبالمثل، فريدمان وآخرون. (2015) أزال الجين الكبيبي PODXL في hiPSCs ووجد أن الكائنات العضوية تظهر بنية خلية بودوسيتية خاطئة [14].

إحدى الإمكانات غير المستغلة إلى حد كبير لعضويات الكلى هي قدرتها على نمذجة العيوب الجنينية والجنينية. حاليًا، يسعى الباحثون إلى تصميم نموذج للكلية البشرية البالغة باستخدام عضوي الكلى. ومع ذلك، في حالته الحالية في الثلث الأول والثاني من الحمل، يمكن استخدام عضوي الكلى لدراسة عيوب الكلى التنموية [41]. تعد عيوب نمو الجهاز البولي، مثل خلل التنسج الكلوي، من بين أكثر اضطرابات النمو انتشارًا وشدة [42]. نظرًا لأنه قد يتم اكتشاف العديد من هذه الأمراض في وقت مبكر يصل إلى 11 أسبوعًا، فإن عضيات الكلى مناسبة بشكل خاص لدراسة إعاقات الكلى الخلقية. ليس لدينا فقط عضويات الكلى التي تشبه الكلية الأولى والثانية في الثلث الثاني من الحمل، ولكن لدينا أيضًا خطوط خلايا الكلى المتوسطة البدائية (على سبيل المثال، تسوجيموتو وآخرون، 2020) لدراسة العيوب الجنينية والجنينية [24]. نظرًا لأن عددًا قليلًا من الأنظمة تسمح بدراسة الكلى البشرية النامية ومعالجتها، فإن عضو الكلى يتيح إمكانات هائلة للدراسات الجينية والسمية والتنموية للجنين.

3.2.2. عضويات الكلى كنماذج لأمراض أخرى

بالإضافة إلى الأمراض الوراثية، تم استخدام عضيات الكلى لدراسة استجابة الأنظمة البشرية للعدوى الفيروسية والسرطان والإصابات. على سبيل المثال، يانسن وآخرون. (2021) استخدم منصة عضوية للكلية لتقييم تأثيرات فيروس SARS-CoV-2 على الكلى البشرية [43]. اكتشفت هذه المجموعة أن عدوى SARS-CoV-2 تؤدي إلى زيادة تعبير الكولاجين-I في عضيات الكلى البشرية، مما يوفر تفسيرًا ميكانيكيًا لإصابة الكلى وتليفها الذي غالبًا ما يصاحب الحالات الشديدة من فيروس كورونا الطويل-19 [ 43]. فيما يتعلق بأبحاث السرطان، هيرنانديز وآخرون. (2021) زرع أعضاء الكلى في الفئران التي تعاني من عوز المناعة لنموذج أورام الكلى النادرة المتأثرة وراثيا. هنا، طورت الأعضاء العضوية المشتقة من المريض آفات تشبه الورم، وبالتالي تلخص أورام الكلى البشرية [40]. بالإضافة إلى ذلك، استخدموا نماذج الأورام القائمة على عضيات الكلى كهياكل شبه وظيفية مشتقة من الإنسان وأدوية مختبرة وعلاجات قائمة على الجسيمات النانوية. أخيرًا، أظهرت الدراسات الحديثة أنه يمكن استخدام عضيات الكلى لاختبار الاستجابة لإصابة الكلى. على سبيل المثال، بريزبيورسكي وآخرون. (2022) أثبت أن عضويات الكلى تنتج علامات الضرر التأكسدي وتزيد من تعبير علامة الإصابة عن طريق إعطاء جزيء الإصابة الهيمين إلى عضويات الكلى، جنبًا إلى جنب مع جهاز استشعار حيوي [44].

3.2.3. عضويات الكلى في تقييم الأدوية

بالإضافة إلى توفير نظرة ثاقبة للأمراض، تم استخدام عضيات الكلى لفحص الأدوية. على وجه الخصوص، تم استخدام عضويات الكلى لدراسة إصابة الكلى الناجمة عن المخدرات (DIKI)، وهو السبب الرئيسي لإصابة الكلى الحادة [45]. في تقييم الآثار الجانبية لسيسبلاتين، تشيرنيكي وآخرون. (2018) أظهر أن عضيات الكلى مفيدة كنماذج عالية الإنتاجية لفحص المستحضرات الصيدلانية الجديدة في مجموعة متنوعة من علم الوراثة البشرية [46].

آخرون، مثل وو وآخرون. (2018) قاموا بعزل النوى وتسلسل snRNA، بالإضافة إلى تسلسل DropSeg scRNA في عضويات الكلى. بالإضافة إلى مستويات الحمض النووي الريبي (RNA)، تم قياس مستويات البروتين المختلفة ومقارنتها من المحللة العضوية الكلوية عبر الكتلة المناعية (على سبيل المثال، Cruz et al.، 2017؛ Morais et al، 2022) [26،27]. علاوة على ذلك، تم إجراء تحليل الكيمياء المناعية بشكل روتيني في عضويات الكلى لفحص هياكل النيفرون المحددة. غالبًا ما يتم إجراء ذلك على شكل تلطيخ عضوي كامل؛ وبدلاً من ذلك، تم أيضًا استخدام أقسام الأنسجة للفحص (egTakasato et al, 2015; Cruz et al., 2017) (20,26). وقد كشفت هذه الدراسات أن عضويات الكلى تظهر الكبيبات، والنبيبات القريبة، والنبيبات البعيدة، والغشاء القاعدي، و ترتيب قنوات التجميع (20، 27). يوضح الشكل 3 أدناه مثالاً على عضويات الكلى البشرية المضمنة والمقطعة من البارافين والتي تم إنشاؤها باستخدام بروتوكول تاكاساتو وآخرين (2016) (12) تم تلوين القسم للنبيبات الكبيبية والدانية والبعيدة بروتينات علامة النبيبات وتظهر هياكل كلوية كبية مستمرة إلى الأنابيب البعيدة. إلى جانب الهياكل، من المعروف أن عضويات الكلى تظهر أوعية دموية أيضًا. ومع ذلك، فهي محدودة، وتتراجع بسرعة وغير منظمة كما هو الحال في الكلى النموذجية (28).

الشكل 4. ملخص للطرق التي يمكن بها استخدام عضيات الكلى لنموذج المرض. ملخص للطرق التي يمكن بها استخدام عضيات الكلى لنموذج دي