In Vivo nefron sonini o'lchash uchun yangi tasvirlash vositalari: Rivojlanish nefrologiyasi uchun imkoniyatlar

Qo'shimcha ma'lumot uchun. aloqatina.xiang@wecistanche.com

Abstrakt

Sutemizuvchibuyrakmurakkab organ bo'lib, millionlab nefronlarning birgalikda ishlashini talab qiladi. Rivojlanish jarayonida nefrogenezdan keyin nefronlar soni doimiy bo'lib qoladi va umr davomida nefronlarning yo'qolishi o'tkir yoki surunkali kasalliklarga moyil bo'lishiga olib kelishi mumkin.surunkali buyrak kasalligi. Buyrakdagi individual nefronlarni in vivo jonli sanash uchun yangi texnologiyalar ishlab chiqilmoqda. Ushbu sharh ushbu texnologiyalarni tavsiflaydi va ularning inson buyrak rivojlanishi va kasalliklarini o'rganishga aloqadorligini ta'kidlaydi.

O'simlik sistanchelaridan foydalanish haqida ma'lumot olish uchun bu yerni bosing

Kirish

Sutemizuvchilarning buyragi murakkab organ bo'lib, u turli xil fiziologik jarayonlarni boshqarish uchun rivojlangan. Bu jarayonlarga qon hajmi, qon bosimi, osmotik bosim, chiqindilarni olib tashlash va metabolit gomeostazi kiradi. Buyrakning normal rivojlanishi uchun siydik pufagi va metanefrik mezenximaning o'zaro shakllanishi kerak. Shundan so'ng, buyraklarning turli funktsiyalarini bajaradigan differentsiatsiyalangan hujayralarni ishlab chiqaradigan progenitor hujayralarning qayta tiklanadigan hovuzini saqlab qolish uchun takrorlanuvchi shoxlanish jarayoni va signal kaskadi keladi.

Nefrogenezning davomiyligi va tugashi turlarga qarab farq qiladi. Odamlarda va odam bo'lmagan primatlarda tug'ilish va inson nefrogenezining tugashi xuddi shunday vaqt nuqtalarida sodir bo'ladi; nefrogenez odamlarda homiladorlikning taxminan 35-haftasida tugaydi. Nasllarni tug'diradigan turlar ko'pincha tug'ruqdan keyingi tabiiy nefrogenezning o'zgaruvchan davriga ega. Nefron soni turga, shtammga qarab farq qiladimi?jinsiy aloqa, va atrof-muhit va genetik omillar? Otopsiyadagi tadqiqotlarga asoslanib, inson nefronlari soni juda o'zgaruvchan (200,000 dan 2,7 milliongacha). Nefron sonining keng diapazoni insonning neonatal otopsisida ham kuzatilgan, bu diapazon nefrogenez davrida aniqlanganligini ko'rsatadi.

Nefron soni ko'plab buyrak patologiyalariga moyilligini aniqlashi mumkin va nefronning yo'qolishi surunkali buyrak kasalligi (CKD) rivojlanishini tezlashtirishi mumkin. Shunday qilib, nefron sonining kamligi va yo'qolishining sabablarini ko'rib chiqish va odamlarda nefron sonining bunday keng doirasi nima uchun saqlanib qolganligini tushunish muhimdir. Onaning sog'lig'i va ovqatlanishi bilan belgilanadigan genetik va epigenetik omillar nefrogenezning hal qiluvchi omili ekanligi haqida ko'proq dalillar mavjud. Xomilaning rivojlanishi platsenta funktsiyasi tomonidan boshqariladigan onadan mavjud energiya bilan cheklanadi. Reproduktiv fitnes tomonidan boshqariladigan evolyutsion tanlov bosimi homila va tug'ruqdan keyingi erta buyrak rivojlanishidan ko'ra miya o'sishini birinchi o'ringa qo'ydi, hayotning birinchi yilida dam olish metabolizmining 50 foizdan ortig'i miyaga taqsimlanadi. Shunday qilib, onaning kam ovqatlanishi, atrof-muhitning stressi yoki infektsiyasi intrauterin o'sishning cheklanishiga yoki nefron progenitor hujayralarida DNK metilatsiyasining erta tug'ilishiga va pastga regulyatsiyasiga olib keladi. Sog'lom buyrakni rivojlantirish uchun zarur bo'lgan molekulyar mexanizmlar asosan kemiruvchilar modellarida o'rganilgan. Biroq, yaqin vaqtgacha kemiruvchilar va odamlarda buyrak rivojlanishi o'rtasida bir nechta to'g'ridan-to'g'ri taqqoslashlar mavjud edi.

Nefronning yo'qolishi odatda qolgan nefronlarning gipertrofiyasi va giperfiltratsiyasi orqali bartaraf etiladi, bu butun buyrak GFR ning saqlanishi bilan tasdiqlanadi. Gipertrofiya - bu reproduktiv yillar davomida metabolik gomeostazni saqlab qolish uchun qisqa muddatli moslashuv. Shu bilan birga, adaptiv gipertrofiya bo'yicha jismoniy cheklovlar mavjud bo'lib, ular tashish uchun zarur bo'lgan quvur yuzasi maydoni va quvur uzunligi ortishi natijasida oqimga qarshilik bilan cheklangan. Bu cheklov eng yirik sutemizuvchilarda (kitlar) 100 million nefronni qisqa kanalchalarni o'z ichiga olgan kichik unipapiller birliklarga o'rash orqali bartaraf etiladi. Reproduktiv yoshdan keyin to'plangan stresslar (ishemiya, gipoksiya, infektsiya) natijasida yuzaga keladigan hujayra oksidlanish shikastlanishining kuchayishi qarish davri bilan bog'liq bo'lgan doimiy nefron yo'qotilishiga yordam beradi, bu oddiy qarigan populyatsiyada nefron sonining 50 foizga kamayishi bilan namoyon bo'ladi.

Buyrak rivojlanishi va homiladorlik muhitining buyrak salomatligini o'rnatishdagi roli haqidagi tushunchamiz ortib borayotganiga qaramay, biz hali ham buzilmagan, ishlaydigan organ kontekstida individual nefronlarning yaxlit ko'rinishiga ega emasmiz. Glomerulyar sonlarni baholashning hozirgi noxolis usullari buyrakni yo'q qilishni, ularning uzunlamasına tahlil qilish va in vivo jonli foydalanish imkoniyatlarini cheklashni talab qiladi. Hayotiy tsikl davomida ishlaydigan nefronlar sonini kuzatish uchun noinvaziv tasvirlash usullarini ishlab chiqish surunkali buyrak kasalligining rivojlanishini bashorat qilish va yangi aralashuvlar samaradorligini o'lchash uchun asosiy ma'lumotlarni beradi.

Ushbu muammolarni hal qilish uchun yangi radiologik vositalar ishlab chiqilmoqda va in vivo nefron massasini kuzatish va o'lchashning noinvaziv vositalarini ta'minlaydi. Ushbu texnologiya buyrak rivojlanishi va uning keyingi hayotda kasallikning rivojlanishidagi roli haqida yangi tushunchalar berish imkoniyatiga ega. Ushbu texnologiya orqali mavjud kuzatuvlar orasida nefron soni, glomerulyar hajm va gipertrofiya va, ehtimol, bitta nefron funktsiyasi mavjud. Ushbu sharh ushbu yangi texnologiyaning hozirgi holatini tavsiflaydi va uning klinikadan oldingi fan va klinik tadqiqotlarda qo'llanilishi mumkin bo'lgan ko'rinishini taqdim etadi.

Ex vivo nefron soni va glomerulyar hajmini o'lchashga yondashuvlar

Nefron soni va glomerulyar o'lchamini o'lchashning eng ko'p ishlab chiqilgan yondashuvlari dizaynga asoslangan stereologiyaga asoslangan. To'qimalar mikroskopiya uchun tayyorlanadi va kesiladi va asl to'qimadagi tuzilmalarning o'rtacha hajmini aniqlash uchun slaydlarda kuzatilgan glomeruli kabi tuzilmalarning o'lchamlari tahlil qilinadi. Bu kesilgan organlarda yoki biopsiya to'qimalaridan tizimli va tasodifiy to'qimalardan namuna olish orqali amalga oshirilishi mumkin. Dissektor-fraksiyalash usuli odamlarda nefron soni va giperfiltratsiyadagi populyatsiyaga asoslangan farqlarni aniqladi25 va inson kasalliklarining hayvonlar modellarini o'rganish uchun keng qo'llanildi.

Stereologiya talab qiladigan qismlarga bo'linmaslik uchun yaqinda biopsiya ma'lumotlarini to'ldirish va nefron sonini o'lchash uchun yangi tasvirlash usullari ishlab chiqildi. Magnit-rezonans tomografiya (MRI) ko'pincha to'qimalarda, birinchi navbatda, suvdan, magnit maydonlardan foydalangan holda suv protonlarini aniqlashga asoslangan. Mavzu yoki namuna katta magnit maydon ichiga joylashtirilgan. Klinik MRI uchun ishlatiladigan odatiy magnit maydon kuchlari 1,5T dan 7T gacha. Klinikadan oldingi MRI tizimlari ko'pincha yuqori signal-shovqin va yaxshilangan tasvir kontrasti va piksellar sonini oshirish uchun juda katta maydon kuchlaridan foydalanadi. MRI yumshoq to'qimalarni tasvirlash uchun keng ko'lamli kontrastli tasvir usullarini taqdim etadi va ionlashtiruvchi nurlanishni talab qilmaydi. MRI ham preklinik, ham klinik tizimlarda yuqori aniqlikni ta'minlaydi.

Kationik ferritin (CF) MRG orqali buyrak bo'ylab glomeruliyalarni aniqlash va tasvirlash uchun tomir ichiga yuborilgan kontrast modda sifatida kiritilgan. Zaryadlangan nanozarralar, shu jumladan ferritin, elektron mikroskop (EM) yordamida bazal membrananing tuzilishi va funktsiyasini o'rganish uchun o'nlab yillar davomida ishlatilgan. . Ferritin molekulasi elektron zich temir oksidi yadrosi tufayli EMda aniqlanadi. Xuddi shu temir oksidi yadrosi ko'pincha magnit bo'lib, uni MR orqali aniqlash mumkin. Ushbu usul, kationik ferritin bilan kuchaytirilgan MRI (CFE-MRI) sog'lom kalamush buyraklaridagi har bir glomerulu30, ex vivo hisoblash uchun ishlatilgan va glomerulyar hajmlarning buyrak ichidagi tarqalishini o'lchash uchun ishlatilgan. CFE-MRI, shuningdek, sichqonchaning buyragidagi har bir glomerulusni hisoblash va o'lchash uchun ishlatilgan3] va glomerulyar hajmdagi fazoviy o'zgarishlarni aniqlash uchun glomerulyar hajmlar xaritalangan. Ushbu topilmalar bir nechta guruhlar tomonidan tasdiqlangan. CFE-MRI yordamida kalamush va sichqoncha o'lchovlari dissektor-fraksionator stereologiyasi bilan tasdiqlangan.

CFE-MRI, shuningdek, inson donorlari buzilgan buyraklarida ham o'tkazildi, bu erda CF to'g'ridan-to'g'ri buyrak arteriyasiga yuborilgan va buyrak fiksatsiya va tasvirga olishdan oldin sho'r suv bilan yuvilgan. Inson buyragidagi CFE-MRI uch o'lchovli ko'rinishni taqdim etdibuyrak glomerulyarmorfologiya, heterojen glomerulyar gipertrofiyani va bemorning davolanmagan gipertenziyasi bilan bog'liq bo'lgan nefron yo'qolishi hududlarini ko'rsatadi. Nefronni yo'qotish hududlari bir xil hududlardagi gistologiya bilan bog'liq bo'lib, qon tomir va glomerulyar sklerozni ko'rsatdi.

Ushbu dastlabki tadqiqotlar surunkali va o'tkir buyrak kasalliklari bilan nefron soni va glomerulyar morfologiyadagi o'zgarishlarga qaratilgan. Bennett va boshqalarda-26 buyrakdagi KF ning tarqalishi proteinuriya paydo bo'lishidan oldin fokal va segmental glomerulosklerozning kalamush modelida erta glomerulyar patologiya tufayli qayta taqsimlangan. Sichqonlarda CFE-MRI nefron qisqarishining oligosindaktilizm (Os/ plus) modelida glomerulyar gipertrofiyani aniqlash va xaritalash uchun qo'llanilgan31. Yaqinda biz buni ko'rsatdiko'tkir buyrak shikastlanishineonatal quyon modelida qon tomirlarini qayta tashkil etish bilan aniqlangan glomeruli yo'qotilishiga olib keldi35 Shunday qilib, MRI orqali CF yorlig'idagi o'zgarishlarni kuzatish rivojlanish jarayonida zararning ta'sirini va uning keyingi hayotda buyrak salomatligiga ta'sirini tushunish uchun muhim vosita bo'lishi mumkin.

Ushbu dastlabki tadqiqotlarda qo'llaniladigan rejissyor-fraksionator stereoologiyasi kabi boshqa usullardan foydalangan holda CFE-MRIni tasdiqlashda ba'zi muhim fikrlar mavjud. CFE-MRI faqat perfuziyalangan glomeruliyalarni o'lchashi mumkin, gistologik yondashuvlar esa yo'q bo'lgan glomeruliyalarni ham aniqlaydi. Agar to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri solishtirilsa, to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri glomeruliyalar mavjud bo'lsa, MRI o'lchovlari past bo'ladi. GBMda CF to'planishiga ta'sir qiluvchi onkotik bosim, kapillyar perfuziya tezligi va GBM tuzilishi kabi strukturaviy va funktsional omillar yaxshi o'rganilmagan, shuning uchun glomerulyar so'rilish CFE-MRIni modulyatsiya qiluvchi kasallik jarayonlari bilan modulyatsiyalangan bo'lishi mumkin. bu tasvirlanmagan. Va nihoyat, GBM shikastlanishi yoki proteinuriya CF ning tubulalarga oqib chiqishiga olib kelishi mumkin, bu esa MRI tomonidan kuzatilgan glomeruliyalarning punktat emas, balki diffuz belgilariga olib keladi. Rivojlanishni o'rganishda GBM zaryad tuzilishi va glomerulyar filtratsiya homiladorlik yoshiga qarab o'zgaradi. Ushbu holatlarning barchasida davomiy tekshiruvlar orqali CF yorlig'i bilan bog'liq parametrlarni tushunish muhimdir. Sog'lom hayvonlarda minimal ko'rinadigan, ammo har bir yangi model bilan tekshirilishi kerak bo'lgan CF toksikologiyasini aniqlash ham juda muhimdir.

Yaqinda rentgen-CT buyrak mikrostrukturasini o'lchash va buzilmagan buyrakda nefron sonini xaritalash uchun ko'rsatildi, ex vivo. KTning asosiy afzalligi uning soddaligi va foydalanish tezligi va MRIga nisbatan arzonligidir. Kamchilik - bu ionlashtiruvchi nurlanishdan foydalanish, u in vivo yoki klinik ilovalarda foydalanishni cheklashi mumkin. Shunga qaramay, C yorliqli tuzilmalarni ex vivo yuqori aniqlikdagi tasvirni taklif qiladi, keyinchalik ularni boshqa tasvirlash usullaridan foydalangan holda yumshoq to'qimalar anatomiyasi bilan birgalikda ro'yxatdan o'tkazish mumkin.

Sichqonchaning buzilmagan buyragidagi glomerulyar son va kapillyar tup hajmini o'lchash uchun butun organni optik tozalashdan so'ng engil varaqli mikroskopiya ishlatilgan. Ushbu jozibali yondashuv butun organda yoki katta organlarning namunalarida mikroskopik o'lchamdagi butun glomerulusni avtomatlashtirish va vizualizatsiya qilishning afzalliklariga ega.

Nefron soni va glomerulyar hajmini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash uchun in vivo yondashuvlar

Nefron sonini ex vivo o'lchash uchun yaratilgan va paydo bo'layotgan vositalar nefron soni va glomerulyar hajmdagi sub'ektlararo va sub'ektlar ichidagi heterojenlik haqida xulosa chiqarish imkonini berdi. Ushbu vositalar buyrak tuzilishi va uning buyrak faoliyati bilan qanday bog'liqligi haqidagi bilimimizdagi muhim bo'shliqlarni in vivo jonli ravishda hal qila boshlaydi. Bu savollarga quyidagilar kiradi: 1) Glomerulyar soni va hajmi o'rtasidagi individual nefron filtratsiyasi bilan qanday bog'liqlik bor?, 2) Nefron soni va glomerulyar hajmining fazoda taqsimlanishi va uning patologiyaga aloqasi qanday?, 3) Glomerulyar qarish tezligi qanday? salomatlik va buyrak kasalliklarida o'zgarish? Klinik jihatdan rentgen/KT va biopsiya kombinatsiyasidan foydalangan holda in vivo jonli ravishda nefron sonini baholash mumkin. Ushbu turdagi ish nefron soni va buyrak funktsiyasi o'rtasidagi muhim aloqani ta'minlay boshlaydi. Bir nechta nashrlar MRI tirik hayvonda individual glomeruliyani aniqlash uchun ishlatilishi mumkinligini ko'rsatdi. CFE-MRI yordamida ushbu sohadagi dastlabki ishlar buyrakning muayyan hududlari bilan cheklangan. Bitta hisobotda buyrakdagi signalni mahalliy darajada oshirish uchun simsiz kuchaytirgich ishlab chiqilgan bo'lib, filtratsiya va funktsiya4 davomida bitta nefronlarni birgalikda ro'yxatga olish imkonini beradi. Yaqinda ikkita nashr kalamushlarda ham, sichqonlarda ham CFE-MRI yordamida butun buyrakdagi individual glomeruliyalarning in vivo o'lchovlari haqida xabar berdi. Ushbu yondashuv, shuningdek, CFE-MRI terapiyaga javoban vaqt o'tishi bilan nefron sonidagi o'zgarishlarni kuzatish yoki buyrak rivojlanishini kuzatish uchun potentsial foydalanish mumkinligini ko'rsatadigan uzunlamasına eksperimentda qo'llanilgan.

CFE-MRI in vivo asosiy muammosi sezuvchanlikdir. Qondagi deoksigemoglobin paramagnitdir va kapillyarlarda magnit sezuvchanlik artefaktini keltirib chiqarishi mumkin, bu esa CF bilan belgilangan glomeruliyalarni aniqlash uchun dinamik diapazonni kamaytiradi. Buni hal qilish uchun ferritin ko'proq temirni o'z ichiga olishi uchun o'zgartirilishi mumkin va CF ning metall oksidi yadrosi sezuvchanlik artefaktisiz uni osonroq aniqlash uchun o'zgartirilishi mumkin. Biroq, boshqa aniqlash strategiyalari mahsulot rentabelligi yoki tasvirlash tezligida o'zaro kelishuvlar bilan birga keladi, shuning uchun CFE-MRI ning birinchi namoyishi bu yondashuvlardan foydalanmadi. CFE-MRIning kaliti harakatni nazorat qilish va radiochastota (RF) bobini butun buyrakda etarlicha sezgir bo'lishini ta'minlashdir.

Rivojlanish nefrologiyasi uchun istiqbol: tuzilma va funktsiya Bu erda biz ex vivo va in vivo jonli ravishda nefron ta'minotini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash uchun paydo bo'layotgan vositalarni tasvirlab berdik. X-ray KT tezkor tasvirni olish va fenotiplashni ta'minlaydi, ex vivo. Biopsiya bilan birlashtirilgan rentgen tomografiyasi kabi asboblar klinikada tez qo'llanilishining afzalligi, invazivlik, ionlashtiruvchi nurlanishdan foydalanish va namunaning noto'g'ri bo'lishi mumkinligi kabi kamchiliklarga ega. MRIga asoslangan yondashuvlar ionlashtiruvchi nurlanishga bo'lgan ehtiyojni bartaraf qiladi va yumshoq to'qimalarning kombinatsiyalangan kontrastini ta'minlaydi va ex Vivo ham, in vivo ham foydalanish mumkin. CFE-MRI kontrastli vositani in'ektsiya qilishni talab qiladi, uni klinikada ishlatishdan oldin xavfsiz deb hisoblash kerak. Nefron sonini in vivo miqyosda o'lchash boshlang'ich bosqichida bo'lsa-da, tezkor tasvirlash uchun tasvirni olishning yangi ketma-ketliklari, yaxshilangan apparat va tasvirni qayta ishlashga qo'shimcha ravishda, ushbu MRI vositalarini muntazam foydalanish uchun amaliy qilish potentsialiga ega. Texnika etuklashgani sari, CF tomonidan qo'zg'atilgan sezuvchanlik artefaktiga sezgirlikni kamaytirish uchun boshqa impuls ketma-ketliklari qo'llaniladi va mahalliy magnit muhit fizikasi yanada ko'proq ma'lumotni ochish uchun yaxshiroq tushuniladi. Shuningdek, in vivo jonli ravishda buyrakning mikro tuzilishi, yalpi anatomiyasi va fiziologiyasining to'liq ko'rinishini ta'minlash uchun glomerulyar va quvurli morfologiyani tasvirni olishning boshqa strategiyalari bilan birlashtirishning noyob imkoniyatlari mavjud. Ushbu birlashtirilgan ma'lumotlardan vaqt o'tishi bilan nefron yo'qolishining rivojlanishini o'rganish uchun foydalanish mumkin, bu o'tkir va surunkali buyrak kasalliklarining asosiy xususiyati va rivojlanish jarayonida progressiv buyrak kasalliklari.

Yaqinda analitik vositalar yoki sun'iy intellekt yordamida tasvirni vizuallashtirish va segmentatsiyalashning takomillashtirilishi to'qimalarning uch o'lchovli tasvirlaridan katta hajmdagi ma'lumotlarni olish imkonini beradi. Ba'zi rivojlanayotgan texnikalar, masalan, sezuvchanlik tensorini tasvirlash to'qimalar mikro tuzilishi uchun surrogat sifatida ishlatilishi mumkin bo'lgan yangi ma'lumotlarni taqdim etishni va'da qiladi. Buyrakda bu glomeruli, tubulalar, tomirlar va interstitsiallarning birlashtirilgan xaritalarini birgalikda ro'yxatga olingan tasvirlarning kombinatsiyasidan osonlashtirishi mumkin. Bundan tashqari, ushbu tasvirlarni optik tasvirga yoki boshqa rentgenologik tasvirlash usullari bilan olingan ma'lumotlarga to'g'ridan-to'g'ri birgalikda ro'yxatdan o'tkazish mumkin. Har bir holatda ushbu yangi vositalarni keng qamrovli tasdiqlash va oxir-oqibat yuqori darajadagi takrorlanuvchanlikni ta'minlash uchun muassasalar bo'ylab ba'zi sotib olish protokollarini standartlashtirish muhimdir. Yangi vositalarning mavjudligi va ulardan foydalanish qulayligi, ehtimol, ko'plab sub'ektlarda buyrakning yangi, miqdoriy ko'rinishini taklif qilish uchun ushbu kontrast mexanizmlar va usullarning barcha ma'lumotlarini birlashtirish uchun ma'lumotlar fanida yangi yondashuvlarni keltirib chiqaradi. Rivojlanish jarayonida ushbu vositalar oxir-oqibat bo'ylama tadqiqotlarda birlashtirilishi mumkin. Yangi mashinani o'rganishni qabul qilish va yaratish ushbu harakat uchun juda muhim bo'ladi.

Qolgan muammo - odamlarda in vivo tasvirga olish uchun nefron miqdorini o'lchashni tarjima qilishdir49. Nefron soni yoki glomerulyar hajmning klinik o'lchovi potentsial ravishda aniq bemorlarda kuzatuvlarga moslashtirilgan individual terapiyaga imkon beradi va inson buyragining mutlaqo yangi ko'rinishini ta'minlaydi. rivojlanish.