Изобразяване на бъбречната микроциркулация в клетъчната терапия

Контакт:ali.ma@wecistanche.com

Катерина Апелт и др

Стъбло от цистанче за бъбречно заболяване, щракнете тук, за да получите пробата

Резюме:

Бъбречнамикроваскуларното разреждане играе ключова роля в прогресивнотобъбрекзаболяване. Следователно, модалностите за визуализиране на микроциркулацията на бъбрека ще увеличат разбирането ни за механизмите на заболяването и следователно могат да осигурят нови подходи за оценка на клетъчно-базирана терапия. В момента обаче в клиничната практика липсват неинвазивни, безопасни и ефективни образни методи за проследяване на бъбречните микроваскуларни промени във времето при пациенти, страдащи от бъбречно заболяване. За да подчертаем важността, ние обобщихме текущите познания за бъбречната микроциркулация и обсъдихме участието в прогресивното бъбречно заболяване. Освен това е представен преглед на наличните техники за изобразяване за разкриване на бъбречната микроваскуларна морфология, функция и поведение със свързаните предимства и ограничения. В крайна сметка, необходимостта от оценка и изследване на бъбречно заболяване въз основа на in vivo показания с разделителна способност до капилярно ниво може да доведе до промяна на парадигмата за диагностика и терапия в областта нанефрология.

Ключови думи: бъбрек; микроциркулация; микросъдовиразреждане; клетъчна терапия; изображения

1. Въведение

Бъбречната васкулатура има анатомично сложна архитектура, която отразява нейната уникална физиологична функция [1]. Въпреки силно динамичната адаптация на микроваскуларната мрежа към хемодинамичните промени, съдовата дисфункция може да бъде следствие или дори причина забъбрекразвитие и прогресия на заболяването [2,3]. Съответно, микроваскуларната дисфункция може да служи като ранен отличителен белег на фиброзно бъбречно увреждане, което предполага, че неинвазивната оценка и валидирането на бъбречната микроваскуларна архитектура и функция би било голямо подобрение за оценка на ефикасността на терапиите, насочени към намаляване на бъбречната фиброза.

В клиничната практика тежестта на хронбъбрекзаболяването (CKD) се класифицира въз основа на скоростта на гломерулна филтрация (GFR), която отразява леко (60–89 mL/min/1,73 m2), умерено (30–59 mL/min/1,73 m2) или тежко (15–29 mL/ min/1,73 m2) намалявабъбрекфункциявъз основа на предварително дефинирани категории [4]. Прогресията на заболяването в напреднала ХБН и краен стадий на бъбречно заболяване (ESRD) се определя от появата на гломерулосклероза и тубулоинтерстициална фиброза с GFR по-малко от 15 mL/min/1,73 m2. Няколко проучвания показват, че феноменът на загуба на бъбречни капиляри, т.е. бъбречно микроваскуларно разреждане, тясно корелира с тежестта на бъбречното заболяване и участва в биологията на последващото прогресиране към ХБН [3,5–7]. Образуването на бъбречна фиброза беше подчертано като централна характеристика за такава перитубуларна капилярна загуба и последваща загуба на бъбречен епител. Ако микроваскулатурата на бъбрека може да бъде защитена или дори възстановена, целостта на бъбречната структурна тъкан ще се подобри и прогресията на заболяването може да бъде предотвратена [2,8]. Освен това потенциално може да се определи терапевтичен прозорец за оценка на тежестта на увреждането, преди степента на бъбречното увреждане да е необратима. По-специално, използването на клетъчни терапии като обещаващи приложения на мезенхимни стромални клетки (MSCs) може да бъде оценено и усъвършенствано за лечение на бъбречни съдови заболявания. Въпреки това, подробното разбиране на бъбречната микроваскуларна рефакция все още е възпрепятствано от липсата на образни методи, които позволяват неинвазивен мониторинг с висока разделителна способност на архитектурата и функционалността на съдовете.

В този преглед ние обобщаваме настоящите познания за бъбречната микроваскулатура и патологичните механизми, които могат да повлияят на микроциркулацията. Ние обсъждаме значението на перицитите и даваме представа за тяхната централна роля в причиняването на прогресия на бъбречното заболяване чрез микроваскуларна дисфункция и разреждане, както и развитието набъбрекфиброза. Впоследствие описваме нови разработки в техниките за изобразяване, които могат да наблюдават такива промени в бъбречната микроциркулация.

2. Бъбречна васкулатура

2.1. Бъбречното кръвообращение

Микроваскулатурата на човешкото тяло се състои от артериоли, капиляри и венули и осъществява обмена на кислород, хранителни вещества и метаболити между кръвта и околната тъкан [8,9]. Очевидно жизненоважната функция на микроциркулацията е строго регулирана въз основа на метаболитните нужди на органа. Основната отговорност на артериолите е да регулират кръвния поток чрез регулиране на съпротивлението, за да се гарантира, че жизненият обмен на нивото на капилярите може да се извърши [10]. В това отношение непрекъснатото адаптиране към хомеостатичното търсене на подлежащата тъкан зависи главно от динамичната пластичност на ендотелните клетки. В същото време ендотелното здраве на микроциркулацията разчита на тясната междуклетъчна комуникация с перицитите, които физически стабилизират кръвоносните съдове, регулират ангиогенезата и контролират кръвния поток [11,12].

Бъбрекът е силно васкуларизиран орган, проявяващ уникални морфологични и функционални характеристики, които отразяват забележителната хетерогенност на неговата съдова мрежа [1,10]. Кръвта навлиза в бъбрека през бъбречната артерия през хилуса (Фигура 1), който допълнително се разделя дихотомно в бъбречното легенче на сегментни артерии и се разклонява прогресивно на нивото на малката чашка в интерлобарни артерии, които се разпространяват между бъбречните пирамиди [1,13]. ]. На границата между кората и медулата, интерлобарните артерии се вливат в аркуатните артерии, образувайки анатомично разделение между двете бъбречни отделения [1]. В кората интерлобуларните артерии, известни също като кортикални лъчисти артерии или кортикални проникващи артериоли, възникват перпендикулярно от аркуатните артерии и се отклоняват в аферентни артериоли, за да снабдят различните клонове на гломерулното дърво. В зависимост от местоположението на гломерулите, филтрираната кръв се събира в кортикалния капилярен плексус, обграждащ проксималните и дисталните тубули или медуларния капилярен плексус на нивото на бримката на Хенле. Накрая кръвта се оттича във венозната система, която протича успоредно на артериалната мрежа, излизаща от бъбрека през интерлобуларната, аркуатната, интерлобарната, сегментарната и накрая бъбречната вена точно над уретера. Най-общо казано, този основен съдов модел се запазва при бозайниците [14,15].

2.2. Капилярните мрежи на бъбрека

Сложността на архитектурата на бъбречната микроваскулатура се отразява от разнообразна морфология на различните бъбречни кръвоносни съдове (Фигура 2). Структурната и функционална хетерогенност на бъбречния ендотел и заобикалящите ги периваскуларни клетки вървят тясно ръка за ръка с вида на капилярната мрежа [15–17]. Всъщност наличието на различни капилярни легла е забележителна характеристика, осигуряваща филтрация през гломерулната капилярна мрежа, както и секреция и реабсорбция през перитубулната капилярна мрежа и медуларната капилярна мрежа [1,13,14]. Кортикалната микроциркулация осигурява главно реабсорбцията на гломерулния филтрат, докато екскрецията на сол и вода се регулира предимно от медуларния микроваскуларен компартмент [14]. Интересно е, че въпреки че медулата съставлява приблизително 30 процента от общата маса на бъбречната тъкан, само 10 процента от общия бъбречен кръвен поток (RBF) включва тази част [10]. Въз основа на анатомичното положение, бъбречната микроциркулация може да бъде разделена на (i) кортикална микроциркулация; и (ii) медуларна микроциркулация [13,14].

Кортикалната микроциркулация е физически разделена от аркуатните артерии, които водят до интерлобуларни артерии, които допълнително се разклоняват от двете страни в няколко аферентни артериоли, за да доставят гломерулната капилярна мрежа [14]. Разклоняването става под различен ъгъл в зависимост от местоположението на гломерулите в кората. Чрез аферентната артериола гломерулната капилярна мрежа, състояща се от 6–8 капилярни бримки, се доставя с кръв, която излиза през еферентната артериола след филтриране [10]. Гломерулните капиляри (Фигура 2а) се образуват от тънък, непрекъснат и предимно плосък фенестриран ендотел, който е покрит от подоцити. Фенестрираните области могат да заемат до 20–50 процента от цялата им клетъчна повърхност [16]. Кортикалните гломерули съставляват 90 процента от всички гломерули, присъстващи в бъбрека, и следователно не е изненадващо, че по-голямата част от RBF преминава предимно през [13]. Останалите 10 процента от всички гломерули са разположени на кортико-медуларната граница и са по-големи по размер. Освен разликите в размера на гломерулите, структурните разлики на аферентните и еферентните артериоли, доставящи кортикалните и юкстамедуларните гломерули, могат да се обяснят със значението за запазване на капилярното налягане.

За да се осигури правилно филтриране на кръвта, разликата в диаметъра между кортикалните аферентни (Фигура 2b) и кортикалните еферентни (Фигура 2c) артериоли е 15 µm спрямо 10 µm [13]. Кръвното налягане се регулира от страната на аферентните артериоли чрез средствата за промени в резистентността, обясняващи непрекъснатия ендотел, който е обвит от гладкомускулни клетки (SMC) [18]. По-внимателно изследване на аферентната артериола разкрива наличието на два съдови сегмента, а не еднороден ендотел по цялата дължина на съда, както обикновено се среща. Проксималната част на аферентната артериола е съставена от непропусклив ендотел с плътно подредени SMCs, които са необходими за свиване на съдовете. За разлика от дисталната част, която е близо до гломерула и се състои от пропусклив ендотел поради наличието на фенестрация. Интересното е, че тази фенестрация е доста необичайна характеристика в съдове с високо вътресъдово налягане. Освен това, кубовидни ренин-продуциращи перицити обгръщат дисталната част на аферентната артериола, за да медиират регулирането на локалното кръвно налягане в гломерула [17,19].

Филтрираната кръв излиза от всеки от кортикалните гломерули през еферентната артериола, за да се събере в плътния кортикален капилярен плексус, обграждащ бъбречните тубули [10]. Освен гломерулната капилярна система, това второ капилярно отделение е известно като перитубуларна капилярна система [16]. Перитубулните капиляри (Фигура 2d) са фенестрирани и тънкостенни със среден диаметър приблизително 7 µm [13,15]. Тези капиляри осигуряват кислород и хранителни вещества на тубулите, разположени в бъбречната кора, но не непременно на тази, от която произхождат [10,15]. Перитубуларните капиляри показват по-непрекъснат ендотел, както и по-малък диаметър в сравнение с медуларните капиляри на vasa recta [13,16]. При бъбречно заболяване увреждането на гломерула най-накрая ще повлияе на последователно подредените перитубулни капиляри надолу по течението и по този начин ще ускори прогресията на бъбречното заболяване [10,20].

Юкстамедуларната аферентна артериола (Фигура 2e) има приблизителен диаметър от 20 µm, докато юкстамедуларната еферентна артериола (Фигура 2f) има по-дебел вътрешен диаметър от 20-25 µm [13]. Еферентната артериола, излизаща от юкстамедуларния гломерул, е силно заобиколена от няколко SMC. Тази забележима разлика в диаметъра на съда, както и повишената мускуларизация, повдигат дебата за участието на този тип гломерул в исхемията. Изглежда, че бъбречната съдова архитектура е организирана по определен начин, за да предпази медулата от исхемично увреждане. Съществува хипотезата, че аферентните и еферентните артериоли на юкстамедуларните гломерули може да не са отговорни за регулирането на медуларния кръвен клон (MBF), но това също би било в потенциално противоречие с тяхната роля да контролират скоростта на гломерулна филтрация [21]. Вместо това изглежда, че низходящата vasa recta (DVR) на съдовите снопове, разположени във вътрешната ивица на външната медула, е отговорна за контролирането на MBF, което може да обясни големия брой перицити, обвиващи това съдово отделение. Следователно DVR играе ключова роля в дългосрочното регулиране на артериалното налягане [13]. Еферентните артериоли, свързани с юкстамедуларните гломерули, протичат през съдовите снопове, които са разположени във вътрешната ивица на външната медула, се превръщат в DVR. DVR води до медуларната капилярна мрежа, която е свързана с възходящата vasa recta (AVR) [1].

Медуларната микроциркулация започва, когато еферентните артериоли, произхождащи от юкстамедуларните гломерули, навлизат по-дълбоко в тъканта, за да доставят останалите 30 процента от бъбречната тъкан, известна като медула [13,14]. Медулата на една бъбречна пирамида е анатомично разделена на две части: външната медула, разположена точно под кората, последвана от вътрешната медула, която се простира до върха на паренхима, наречена папила. Като цяло, броят на медуларните капиляри се увеличава от върха на бъбречната пирамида. По-внимателното наблюдение показва, че външната медула може да бъде допълнително разделена на външната ивица и силно васкуларизираната вътрешна ивица, съдържаща плътния капилярен плексус и междуснопковия плексус [15]. Капилярите между сноповете се характеризират с фенестриран ендотел и са свързани с дъговидната вена [14,22].

Всяка юкстамедуларна еферентна артериола се разделя на няколко снопа, известни като васкуларни снопове, за да образуват разклоненията на DVR (Фигура 2g), които имат по-голям диаметър в сравнение с перитубуларните капиляри на кората [15,23]. Няколко перицита са прикрепени към ендотела на DVR на съдовите снопове [17]. Интересно е, че броят на перицитите, обвиващи съдовете, намалява в DVR (Фигура 2h) на вътрешната медула [15,17]. Това морфологично разположение на DVR във външното и вътрешното отделение на медулата отразява неговата двойна функция [10]. За да уточним, вазоконстрикцията на DVR се появява най-вече в проксималната част, която се намира във външната медула [15]. В дисталната част, т.е. вътрешната медула, обаче се извършва основно електролитен обмен. Тази анатомична разлика директно предполага отделна субпопулация от перицити по отношение на морфологичен вид и функционални свойства [15,17].

Дълбоко във вътрешната медула различни клонове на DVR се разделят на сложна капилярна мрежа, преди да се свържат със значително по-малкия AVR [10]. Ендотелиумът на DVR е непрекъснат, за разлика от ендотелните клетки на AVR (Фигура 2i), които са силно фенестрирани. В крайна сметка цялата кръв се събира от AVR, както и от перитубулните капиляри на кортикалния капилярен плексус във венозната система. Като цяло, бъбречните вени имат изключително тънка съдова стена, а интерлобуларните, дъговидните и интерлобарните вени са фенестрирани и съдържат диафрагми. Изненадващо, интерлобуларните вени показват като цяло по-големи прилики с перитубуларните капиляри, отколкото с вените поради тънкия и силно фенестриран епител.

Различните бъбречни микроваскуларни сегменти и техният елегантен морфологичен вид на клетъчно ниво повдигат подозрението, че съществуващата сложност се превежда в още по-сложен механизъм на заболяването. Следователно, следващият раздел се фокусира върху основните процеси, участващи в бъбречните микроваскуларни неизправности.

3. Бъбречни микроваскуларни нарушения

3.1. Ендотелна дисфункция

Бъбречният ендотел е предимно в покой при физиологични условия; обаче, в отговор на промени в микросредата, т.е. стрес на срязване, хипоксия, оксидативен стрес или възпаление, настъпва активиране на ендотелни клетки и се произвеждат ангиогенни растежни фактори [24]. В зависимост от тригера, активирането на ендотелните клетки може да индуцира провъзпалителен и протромботичен фенотип за насърчаване на адхезията на имунните клетки и инфилтрацията за образуване на микротромби. Въпреки това, за поддържане на съдовата бариера за подходяща обширна регулаторна функция и пропускливост за транспортиране на разтворени вещества, от съществено значение е да се регулира строго метаболитното състояние на неподвижните, както и активираните ендотелни клетки.

Целостта на тъканите и функцията на органите зависят главно от подходящата перфузия на микроваскуларната мрежа [8]. Следователно не е изненадващо, че ендотелните клетки проявяват висока пластичност, за да осигурят динамична адаптация към промените в околната среда чрез регулиране на броя на капилярите, морфологичната форма и функция [1,2,8]. Продължителният период на повишено кръвно налягане обаче причинява необратими промени в микроциркулацията, пораждайки увредени ендотелни клетки, характеризиращи се с нарушени адаптационни свойства. Тази нарушена хомеостаза се отразява чрез намаляване на азотния оксид (NO), индуцируемия от хипоксия фактор -1 (HIF-1) и васкуларен ендотелен растежен фактор (VEGF), заедно с повишаване на други фактори като като ангиостатин, ендостатин и тромбоспондин [1]. По-специално, чувствителността към ендотелна дисфункция в бъбреците е разнообразна и зависи от типа ендотелни клетки, разположени в различните отделения на бъбречната микроциркулация [16,24]. За да се изяснят хетерогенните фенотипове на бъбречните ендотелни клетки и техния различен отговор на микроваскуларни промени, Dumas et al. [25] наскоро предоставиха атлас с висока разделителна способност на бъбречния ендотел чрез използване на едноклетъчно РНК секвениране.

Ендотелната дисфункция често се появява едновременно с остър и прогресиращ спад на бъбречната функция [24]. Тази неизправност причинява повишено съдово съпротивление, което е придружено от намаляване на RBF [26]. Продължителният период на вазоконстрикция причинява неадекватна тъканна перфузия и активиране на стрес и растежни фактори, водещи до морфологични промени [1]. В зависимост от тежестта и особено от продължителността на дадена инсулт, RBF може да бъде променен необратимо чрез въвеждане на структурни промени в микроциркулацията. Тези морфологични промени са причинени от процес, известен като микроваскуларно ремоделиране. Микроваскуларното ремоделиране се дефинира като отговор на функционални промени на микроваскулатурата, което впоследствие може да причини промяна на микроваскуларната архитектура на структурно ниво в последен опит за постигане на хемодинамична хомеостаза [1,2,8]. И накрая, ендотелната дисфункция може да доведе до феномен, наречен „no-reflow“, при който перфузията не може да бъде възстановена, което в крайна сметка води до увреждане на тубулните епителни клетки, което води до остро бъбречно увреждане (AKI) [24].

От голямо значение е да се подчертае, че ендотелната дисфункция не е свързана само с бъбречно заболяване, но също така активно стимулира прогресията на заболяването [24]. Бъбречната микроваскуларна неизправност се отразява от ендотелна дисфункция, провокирана от клетъчно увреждане, което нарушава тясното взаимодействие на перицитите с ендотелния слой и възпрепятства клетъчната комуникация.

3.2. Участие на перицитите в бъбречната дисфункция

Централна характеристика на ХБН е прогресивната загуба на перитубуларната капилярна мрежа, процес, който се нарича разреждане [27]. Тубулоинтерстициалната фиброза, както и увреденият тубуларен епител, се предхождат от това капилярно разреждане в бъбрека [27], докато това микроваскуларно разреждане е пряко свързано с тежестта на фифиброзата [28,29]. Освен това е установено, че степента на разреждане предсказва степента на интерстициално увреждане, както и промените в скоростта на гломерулна филтрация при пациенти с ХБН [28]. Тези открития предполагат ранна, ограничаваща скоростта роля на микроваскуларната дестабилизация/загуба в развитието на ХБН и патогенезата на фиброзата [30]. Хроничното активиране на ендотелни клетки от сърдечно-съдови рискови фактори може да причини загуба на перицити, които играят критична роля в стабилизирането и пролиферацията на капилярите чрез взаимодействия с ендотелните клетки [31]. Наистина, натрупването на доказателства посочва важността на перицитите и тяхното участие в бъбречното микроваскуларно здраве [17].

Перицитите са периваскуларни клетки на стената с удължени процеси, покриващи ендотела, които са вградени в базалната мембрана на капилярите [32]. Те са клетки с мезенхимален произход и възникват от Forkhead box D1 (FoxD1) плюс стромална прогениторна популация, които също водят до други стенописни клетки на бъбречната васкулатура, включително SMCs, резидентни фибробласти, ренинови клетки и мезангиални клетки [33], докато всички ендотелни клетки на бъбречната васкулатура произхождат от левкемия на стволови клетки (SCL) плюс прогенитори [34]. Перицитите са различни от резидентните (периваскуларни) фибробласти, тъй като са вградени в съдовата базална мембрана, но повечето изследвания в бъбреците не правят разлика между перицитите и периваскуларните фибробласти [31,35], вероятно поради липса на специфични маркери. Маркерите, които обикновено се използват за идентифициране на перицити, включват рецептор на тромбоцитен растежен фактор (PDGFR), хондроитин сулфат протеогликан NG2, актин на гладката мускулатура (SMA), клъстер на диференциация 73 (CD73) и PDGFR, но тези маркери идентифицират различни ( припокриващи се) подгрупи от перицити, локализирани в различни анатомични региони, отразяващи хетерогенността на тази клетъчна популация [17] и най-вероятно също функционална хетерогенност. Перицитите регулират строго съдовото развитие, стабилизиране, узряване и ремоделиране [11] и контролират кръвния поток чрез вазоконстрикция. Перицитите се регулират функционално от вазоконстриктивни фактори като ангиотензин II и аденозин трифосфат (АТФ), както и от вазодилататорни фактори като NO и простагландини [17]. Съзряването на кръвоносните съдове зависи от набирането на периваскуларни клетки за стабилизиране на васкулатурата и контрол на кръвното налягане [12].

В бъбреците перицитите обвиват дисталните части на аферентните артериоли на кортикалните гломерули и присъстват главно в перитубуларните капиляри и във vasa recta [13,19]. В допълнение, мезангиалните клетки са (специализирана) подгрупа от бъбречни перицити, които са важни за поддържането на структурна подкрепа за гломерулните капиляри и регулирането на гломерулната хемодинамика. Освен това контрактилните юкстагломерулни перицити, разположени в артериолите, медиират локалното гломерулно кръвно налягане и влияят на системното кръвно налягане чрез секреция на ренин [19]. Интересно е, че прекурсорните клетки на ренин, които произлизат от стромалното отделение, са пространствено-времево свързани с развитието на кръвоносните съдове, докато образуването на артериални клонове е показано, че се предшества от появата на ренин-експресиращи клетки в точката на разклоняване [33,36]. Освен това, използвайки трансгенна ренин репортерна риба зебра, беше показано, че клетките, експресиращи ренин, предхождат ангиогенните кълнове [37]. В бъбрека на възрастна мишка, клетки от ренинов произход също се наблюдават в периваскуларни места и се оцветяват съвместно с перицитни маркери (PDGFR /NG2) [38], което предполага възможна важна роля за тази подгрупа в съдовата поддръжка.

3.3. Сигнални взаимодействия между ендотелни клетки и перицити

Перицитите взаимодействат с ендотелните клетки чрез множество реципрочни взаимодействия, които регулират сигналните пътища, необходими за стабилизиране и ангиогенно поникване. Перицитният сигнал към ендотела чрез секретирани фактори като VEGF, PDGF, трансформиращ растежен фактор- (TGF-) и ангиопоетин-1 (Ang-1), както и чрез директен ендотелен-перицитен кръстосан разговор [39 ]. По подобен начин ендотелиумът сигнализира към околните стромални клетки, използвайки фактори като ангиопоетин-2 (Ang-2) ​​и PDGF. Ang-2 отрицателно пречи на Ang-1-медиираната Tie-2 сигнализация, което води до прекъсване на взаимодействието перицит–ендотелни клетки и последваща дестабилизация на съдовете и анормално микроваскуларно ремоделиране [40,41]. Критичното значение на взаимодействието между периваскуларните стромални клетки и ендотелните клетки при поддържането на капилярната мрежа се доказва и от проучвания върху мишки, демонстриращи, че когато инвестирането на перицити е възпрепятствано, капилярната мрежа се дестабилизира и настъпва разреждане [42]. Например, хипергликемията повишава ендотелната експресия на Ang-2, което кара периваскуларните стромални клетки да мигрират далеч от капилярите [43]. Скорошни проучвания от нашата лаборатория показаха, че както при плъхове [44], така и при бъбреци на човешки донор [45] исхемично-реперфузионното увреждане води до бързо повишаване на баланса Ang-2/Ang-1, което е свързано със загуба на микроваскуларен интегритет. Освен това, при пациенти с диабет, обръщане на здравето на капилярите и намаляване на съотношението Ang-2/Ang-1 и разтворимия тромбомодулин (маркер за увреждане на ендотелните клетки) се наблюдава в рамките на 12 месеца след едновременна трансплантация на бъбрек и панкреас [46]. ]. Освен пътищата ангиопоетин/Tie2 [47], ендотелиално-перицитното пресичане се регулира от сигнални пътища на TGF суперсемейство [48], VEGF [49] и сфингозин-1-фосфат (S1P) [50].

3.4. Перицитите като прекурсор на миофибробластите

Модели за проследяване на генетични линии на мишки са показали, че перицитите (и други периваскуларни клетки) са основният източник на -SMA позитивни миофибробласти в миши модели на бъбречна фиброза [51,52]. Всъщност, скорошно елегантно проучване, включващо едноклетъчно РНК-секвениране, посочи три основни източника на миофибробласти в човешки бъбреци: (i) NOTCH3 плюс RGS5 плюс PDGFR - перицити; (ii) MEG3 плюс PDGFR плюс фибробласти; и (iii) COLEC11 плюс CXCL12 плюс фибробласти [53]. По време на диференциацията от перицит към миофибробласт се наблюдават промени в клетъчния цикъл, които са в съответствие с диференциацията и експанзията, а обогатените пътища включват сигнализиране на каноничен WNT и активаторен протеин-1 (AP-1), както и активиране на транскрипция фактор 2 (ATF2), PDGFR, интегрин, рецепторно взаимодействие на извънклетъчния матрикс (ECM) и TGF-сигнални пътища [53]. По-рано беше показано, че малка част от PDGFR плюс клетъчната популация се състои от периваскуларни Gli1 плюс прогенитори, които маркират периваскуларна MSC-подобна клетъчна популация, за която е доказано, че също допринася с ключово значение за индуцирана от нараняване органна фифиброза чрез генериране на миофибробласти [54] . Освен това е показано, че асоциираният с глиома онкогенен хомолог 1 (Gli1) плюс загуба на перицит индуцира разреждане на капиляри и проксимално тубулно увреждане [55]. Трябва да се отбележи, че тъй като перицитите са били преди това свързани и са тясно свързани с MSC [56], това също повдига въпроса дали подгрупа от перицити може да бъде MSC и като такава да допринесе за регенерацията на бъбреците. В действителност, много изследвания са открили мултипотентна прогениторна роля на перицитите в различни тъкани [35,57,58].

Взети заедно, микроваскуларното разреждане директно допринася за групата от миофибробласти, които са отговорни за прекомерното генериране на ECM протеини, които са основната съставна част на тъканта на белега при фиброза. В допълнение, преходът от перицит към миофибробласт причинява отделяне на перицитите от съдовата стена, което води до нестабилни капиляри, които сами по себе си биха причинили разреждане [52]. Независимо от това, основното въздействие на разреждането върху патогенезата на хроничната бъбречна недостатъчност е причинено от загуба на бъбречна перфузия, която допълнително изостря медуларната исхемия и води до развитието на интерстициална фиброза, която се медиира от увеличената експресия на TGF- и растежен фактор на съединителната тъкан (CTGF) [59]. По този начин, микроваскуларното разреждане може да функционира като ограничаващ скоростта профиброзен превключвател в патогенезата на хроничната бъбречна недостатъчност. Наистина, терапии, насочени към взаимодействието между ендотелни клетки и перицити, например, насочени към PDGFR- или VEGF рецепторно сигнализиране, биха могли да предотвратят миофибробластния преход и да ограничат развитието на фиброза [60–62], илюстрирайки ключовата роля на капилярната мрежа при бъбречно увреждане и като потенциална терапевтична цел.

Въз основа на горното става ясно, че сложната съдова архитектура на бъбрека генерира множество периваскуларни отделения, всяко със свои специфични функции и изисквания. Следователно са необходими бъдещи изследвания, фокусирани върху задълбочена класификация на бъбречните перицити чрез характеризиране на субпопулации въз основа на тяхното местоположение, клетъчна морфология и функция. Като такива, новите методи за изобразяване, които имат за цел да получат неинвазивен достъп до кръвоносни съдове с малък размер, могат да предоставят тази важна информация. Както е показано в областта на невробиологията [12], добре дефинираната категоризация на различни подтипове перицити може да осигури нови пътища за разработване на целева терапия за съдова неизправност.

4. Методи за изобразяване на съдове

Различните бъбречни заболявания отразяват характерен модел на ултраструктурни промени. В резултат на технологичния напредък в областта на биомедицинските изображения, бъбречните физиологични и патофизиологични механизми бяха разгадани през последните няколко десетилетия [63]. Чрез фокусирането върху анатомичните и морфологични промени в тъканната архитектура, нашите знания за бъбречните заболявания се разширяват прогресивно, което подобрява диагностиката и предоставя иновативни възможности за лечение. Въпреки това, динамичното изменение на кръвоносните съдове е основно игнорирано поради предизвикателството да се изследва съдовото поведение в експерименти с времеви серии. В резултат на това съществува неудовлетворена медицинска нужда от разработване на неинвазивни техники за изобразяване за проследяване на хемодинамиката на бъбречната микроциркулация [16].

Също така би било интересно да се свържат резултатите от образната диагностика с (нови) биомаркери в областта на съдовата нефрология. Например, ние демонстрирахме, че некодиращите РНК са тясно свързани със съдово увреждане [64,65]. Комбинирането на тези измервания може да доведе до нови (причинно-следствени) връзки и нови възможности за диагностика. Освен това, когато новите модалности за изобразяване се съчетаят с неотдавнашното развитие на техники, базирани на единични клетки, като секвениране на едноклетъчна РНК и пространствена транскриптомика [53,66,67], това може да позволи безпрецедентен задълбочен анализ на състава и динамиката на бъбречната васкулатура. Следващите раздели обобщават вече налични ex vivo и in vivo начини за изобразяване за изследване на морфологични и функционални аспекти на бъбречната микроваскулатура.

4.1. Ex Vivo

Голяма част от познанията ни за бъбречната микроваскулатура произлизат от цялостен ex vivo анализ на тъканни биопсии. Съответно, клетъчно-базираната терапия често се оценява чрез тъканни срезове и оцветяване. Въпреки че има много проучвания, изследващи терапевтичния ефект на MSCs върху бъбречната васкулатура [68], малко изследователски групи са се възползвали от сложни методи за изобразяване, като микрокомпютърна томография (micro-CT), за да оценят терапията на MSC чрез изследване на 3D архитектурата на бъбречната васкулатура [69–74].

4.1.1. Микрокомпютърна томография (Micro-CT)

Въвеждането на микрокомпютърна томография (micro-CT) от Flannery et al. [75] през 1987 г. откри нови пътища за изследване на непокътнатата васкулатура на гризачи, за да се получат знания за механизмите на заболяването с висока пространствена разделителна способност. Тази ex vivo модалност позволи визуализацията на бъбречната микроваскуларна архитектура и количественото определяне на гломерулния брой, пространственото разпределение и обема, което може да се използва като индикатор за патофизиологичното състояние на целия орган [76]. Разделителната способност в едно 3D зрително поле с 10, 243 воксела позволи визуализирането на аферентни и еферентни артериоли, както и гломерулните капиляри на бъбреците на гризачи. При плъхове е използван размер на възстановен воксел от 21 µm [77], а при прасета е изследвана бъбречната васкулатура с размер на воксел от 40 µm и зрително поле на сканиране от 1,2 mm [78]. Напредъкът в областта на микро-КТ предостави възможност за изобразяване на кръвоносните съдове на нефрона на плъх с разделителна способност на воксел от 1 µm в рамките на зрително поле на сканиране от 2 mm [79].

Въз основа на техниката за количествено определяне, разработена от Hillman et al. [80] с помощта на конвенционална КТ, архитектурата на съдовете и съдовият обем в рамките на различни отделения на бъбречната тъкан са определени в съответствие с подобни проучвания, които оценяват бъбречните съдове въз основа на хистологични тъканни срезове [77]. Интересното е, че чрез прилагане на образни модалности като микро-КТ, беше повишено значението за изследване на перитубуларните капиляри и тяхното участие в патологични състояния в допълнение към конвенционалния начин на мислене за ролята на гломерулната капилярна мрежа.

Ранните структурни промени на микроваскулатурата могат да бъдат визуализирани и открити чрез микро-КТ и следователно не е изненадващо, че няколко молекулярни механизма на съдово ниво, участващи в бъбречно заболяване, са идентифицирани чрез микро-КТ. В различни модели на бъбречно заболяване, като например при поликистозно бъбречно заболяване (PKD), е описана корелация между патологията и намалената микроваскулатура, както е определено чрез микро-КТ с разделителна способност от 17 µm размер на воксел [81]. Освен това, повишена кортикална микроваскуларна плътност се наблюдава при хиперхолестеролемия като ранен признак на прогресивно бъбречно морфологично увреждане [78]. При плъхове с хронично лигиране на жлъчните пътища, кортикална хипоперфузия е открита чрез микро-КТ, което може да обясни нарушението на задържането на сол и вода с по-нататъшно прогресиране на заболяването [82]. Освен това при стенотични бъбреци повишеният оксидативен стрес е свързан с бъбречно микроваскуларно ремоделиране и са предложени възможности за лечение чрез хронична антиоксидантна интервенция [83].

Основно предимство на микро-КТ е, че може да се дефинира аксиалната, както и радиалната геометрия на съдовите системи [84]. Освен визуализиране на бъбречната съдова архитектура в 3D, може да се оцени пространствената плътност на микросъдовете [78,83], плътността и размерът на съдовете могат да бъдат определени с диаметър до 80 µm в различни анатомични бъбречни отделения [77,78,83,85 ] и може да се наблюдава изкривяване на съдовете [83]. Освен това, съдовият капилярен обем на гломерулите, както и перитубуларните капиляри могат да бъдат разграничени и количествено определени в кората [82].

Стандартизиран протокол за количествено определяне е широко използван за изследване на микросъдовата промяна в рамките на добре дефинирани кортикални и медуларни отделения на структурно ниво, за да се определи съдовата плътност и диаметър [77,82]. Ngo и др. [84] извършиха сравнително проучване на микро-КТ и светлинна микроскопия и стигнаха до заключението, че количественото определяне на геометрията на бъбречната васкулатура, придобита чрез микро-КТ, е осъществима и точна техника. Единствената добавена стойност на светлинния микроскоп в сравнение с микро-CT е, че позволява разграничаване на артериите и вените чрез възможността за визуализиране на съдовата стена. Въпреки това, чрез прилагане на микро-CT, артерии с диаметър 100 и 60 µm съответно на плъхове и зайци могат да бъдат визуализирани в 3D. Въпреки това, кръвоносните съдове с малък размер, по-малки от 10 µm, не могат да бъдат идентифицирани правилно чрез микро-КТ, което налага необходимостта от връщане към имунохистохимията, за да се уловят дори и най-малките бъбречни капиляри [85].

4.1.2. Светлинна флуоресцентна микроскопия (LSFM)

С въвеждането на флуоресцентна микроскопия на светлинен лист (LSFM), изображения с висока разделителна способност на големи обеми днес могат да бъдат постигнати за разумен период от време [86,87]. Чрез наличието на LSFM, интересът беше изместен от рутинно прилаганите конвенционални хистологични техники, които включват разделяне на тъканта, последвано от оцветяване на микроваскулатурата, към изобразяване на тъканта като цяло. Обемният анализ е благоприятен, защото се изследва не само избрана част от тъканта, но и динамичният характер на архитектурата и поведението на съда се запазва в 3D изглед.

За да се запази 3D информацията, биологичният образец се прави прозрачен чрез различни протоколи за оптично изчистване на тъкани (OTC), за да се сведе до минимум разсейването на светлината и абсорбцията на светлина за по-нататъшно FL флуоресцентно оцветяване [87]. През последните години OTC методите придобиха популярност, тъй като 3D изображенията предоставят възможност за изследване на непокътнати органи, което е възможно благодарение на съвременния напредък на LSFM. Конструкцията на непокътнат орган или дори цяло животно с разделителна способност на клетъчно ниво в 3D може да бъде придобита в рамките на минути [88]. Със сравнима разделителна способност с конфокалната FL флуоресцентна микроскопия, LSFM обаче има два порядъка по-добро съотношение сигнал/шум, драстично намалявайки избелването на FL флуорофора и фототоксичността, позволявайки широкомащабна обработка на изображения, необходима за OTC [89]. Допълнителни предимства са, че записаният брой кадри и скоростта на запис са по-големи, докато общата продължителност на изображението е много по-кратка.

Още от въвеждането на LSFM, няколко OTC протокола бяха подобрени и усъвършенствани за различни тъканни проби и органи, получени от няколко вида. През последните години нетоксичното изчистване на базата на разтворители с етил цинамат (ECi) се прилага широко за изчистване на миши бъбреци [88,90,91]. Този протокол отнема по-малко време, като например пионерските протоколи CLARITY (чисто липидно-обменено акриламидно хибридизирано твърдо изображение), CUBIC (ясни, безпрепятствени коктейли за изобразяване на мозък/тяло и изчислителен анализ) и/или DISCO (триизмерно изображение на органи, изчистени от разтворител), но предлага относително разумно изчистване на бъбрека с малко количество останала автофлуоресценция. Забележителна работа беше извършена от Ertürk и колеги [92], които успешно изчистиха цял човешки бъбрек чрез нов подход за тъканна пермеабилизация, наречен SHANEL (ефективно изчистване и етикетиране на човешки органи, медиирано от малки мицели). Установено е, че кортексната зона има размери около 2742 ± 665 mm (средно ± SD), които съдържат гломерулни капиляри с диаметър 221 ± 37 mm, а аферентната артериола има диаметър 71 ± 28 mm. Освен това, в областта на неврологията е разработена изключително усъвършенствана рамка, базирана на дълбоко обучение, за количествено определяне на невронната васкулатура след OTC, наречена VesSAP (тръбопровод за сегментиране и анализ на съдове) [93].

Въпреки факта, че е постигнат голям голям напредък в областта на OTC през последните години, някои недостатъци все още остават, тъй като експресията на ендогенни FL флуорофори в повечето случаи не е запазена задоволително, ограничавайки използването на трансгенни животни. Основно безпокойство обаче е, че морфологичният размер на тъканта и следователно на васкулатурата се променя от суровите разтворители, необходими за OTC. В допълнение, огромното количество данни, произведени от LSFM, остава предизвикателство не само за правилното съхранение и обработка на данни, но и за количествен анализ [87].

Накратко, едно важно предимство на прилагането на техники като микро-КТ или SFM е, че може да се улови пространственото разпределение на съдовете и структурното разреждане на съдовата мрежа се идентифицира с подходяща разделителна способност за изобразяване на почти всички бъбречни капилярни структури. И двете техники обаче изискват фиксация и следователно могат да се извършват само ex vivo. За проследяване на морфологични и функционални изменения на бъбречната микроваскулатура са желани in vivo стратегии за изобразяване във времето.

4.2. In Vivo

Прилагането на in vivo образни методи би предложило възможност за оценка на клетъчно-базирана терапия в реално време и валидиране на възможните терапевтични ефекти на васкуларно ниво. В резултат на това напредъкът в областта на in vivo биомедицинските изображения е наложителен за изучаване на базирани на MSC ефекти върху бъбречната васкулатура. Само една ръка, пълна с проучвания, е приложила in vivo изображения за изследване на MSC-действието, използвайки многофотонна микроскопия (MPM) [94], CT [95,96] и магнитно-резонансно изображение (MRI) [95–97].

4.2.1. Многофотонна микроскопия (MPM)

Многофотонната микроскопия (MPM) зависи от едновременното поглъщане на два или повече фотона само във фокалната равнина, което стана достъпно през 1995 г. [98]. Динамичните процеси могат да бъдат визуализирани in vivo на клетъчно ниво и, освен изучаване на бъбречния съдов кръвен поток [63], MPM предлага възможност за наблюдение на различни бъбречни микросъдови сегменти в реално време. Високата разделителна способност позволява визуализация на аферентните и еферентните артериоли и на гломерулните капиляри. Въпреки че е технически възможно да се достигне до медуларната микроциркулация, това все пак остава предизвикателство поради дълбочината на проникване [98]. Въпреки това е възможно да се визуализира цял гломерул с приблизителен диаметър от 100 µm и да се получи достъп до динамични процеси на клетъчно ниво.

Важно е, че in vivo микроваскуларното изтичане може да бъде визуализирано и количествено определено чрез синя екстравазация на Evans във фиброзни бъбреци чрез MPM [99]. Броят на перфузираните капиляри се определя количествено и диаметърът се определя много под 10 µm. Наскоро нашата изследователска група приложи MPM, за да предостави in vivo доказателства, че бъбречните органоиди, получени от човешки плурипотентни стволови клетки (hPSC), образуват функционална връзка с предварително съществуващата бъбречна васкулатура при мишки след бъбречна субкапсуларна трансплантация [100,101].

Предимствата на MPM са липсата на FL флуоресценция извън фокуса и ограниченото фотоизбелване във фокусната област [98]. Въпреки това, един от недостатъците е ограничената дълбочина на изображението, което изисква прилагането на прозорец за абдоминално изображение за достъп до бъбречната васкулатура in vivo [102,103]. Този абдоминален прозорец позволява in vivo изображения за няколко седмици до един месец; обаче, поставянето на такъв прозорец за изображения изисква инвазивна хирургия и е свързано с вероятност от възпаление. Освен това прозорците за изображения понякога се губят и може да настъпи тъканна некроза [102]. Очевидно този образен метод не може да се преведе в клиничната практика.

Интересна алтернатива за неинвазивно наблюдение на капилярния кръвен поток до леглото е постижима след въвеждането на ръчна витална микроскопия (HVM) в клиничната практика [104]. Въпреки че тази модалност за изобразяване се основава на напълно различна технология, т.е. видеомикроскопи със страничен поток и падащи тъмни полета, тя предлага оценка в реално време на повърхностно разположени капиляри. Новите клинично внедрени алгоритми, известни като софтуерни пакети MicroTools, позволяват автоматизиран микроваскуларен образен анализ на общата и перфузирана плътност на съдовете за достъп до ангиогенеза, съдова дилатация/констрикция и баланс на течности, както и капацитет за доставяне на кислород въз основа на капилярен хематокрит и скорост на еритроцитите [105] ]. Въпреки това, за изследване на бъбречната микроваскулатура, тези модалности не са подходящи поради ограничената им дълбочина на проникване.

4.2.2. Компютърна томография (КТ)

Неинвазивните методи за изобразяване, способни да наблюдават и количествено определят морфологичните и функционални изменения на бъбречната микроваскулатура, са силно необходими, за да се определи ролята на микроваскулатурата при прогресирането на заболяването до ХБН. Въпреки че причинно-следствената връзка между разреждането на капилярите и прогресията на бъбречната фиброза е призната от много години, Ehling et al. [3] са първите, които извършват неинвазивен качествен и количествен анализ на анатомични и функционални съдови изменения по време на прогресията на ХБН. Прогресивно намаляване на обема на бъбречната кръв е наблюдавано чрез in vivo микро-CT с усилен контраст при три миши модела с прогресираща бъбречна фиброза, т.е. исхемично-реперфузионно увреждане (IRI), едностранна обструкция на уретера и Alport мишки. Освен функционалните промени на микросъдовете, перитубуларната васкуларна загуба корелира с образуването на фиброзна тъкан във всичките три модела на мишки с ХБН. Въпреки това, за да се получи информация за точките на разклоняване, диаметъра на съда и извивката, беше необходима ex vivo микро-CT, което показва необходимостта от нововъзникващи технологии за биомедицински изображения, които осигуряват достъп до микросъдове in vivo с резолюция, близка до клетъчната.

Основно предимство на КТ е, че визуализацията на бъбречната васкулатура се придобива в рамките на минути с разумна резолюция, предоставяйки 3D информация за васкуларната организация. Използвайки йод-базирани контрастни вещества, контрастът се подобрява и се постига още по-детайлно изобразяване на микроваскулатурата. Наскоро качествената и количествена оценка чрез микро-CT на миши бъбреци при физиологични и патологични състояния беше усъвършенствана чрез перфузия с фосфорволфрамова киселина (PTA) за подобряване на контраста в кръвоносните съдове [106]. Въпреки ограничението, че артериите и вените не могат да бъдат ясно разграничени една от друга, разделителната способност с размер на воксела от 40 µm in vivo и размер на воксела от 12,5 µm ex vivo улавя организацията до нивото на дъговидните кръвоносни съдове.

Друг основен недостатък на използването на КТ за проследяване на бъбречно заболяване обаче е необходимостта от използване на йодирани радиографски контрастни вещества. Известно е, че тези контрастни вещества причиняват нефротоксичност, което е противопоказание за клинично приложение при пациенти с предшестващо бъбречно увреждане [107–109]. Острото увреждане на бъбреците, дължащо се на администрирания контрастен агент, променя бъбречната хемодинамика и причинява медуларна хипоксия, което е особено нежелателно при изследване на бъбречна микроваскуларна рефакция. По подобен начин, базираните на гадолиний контрастни вещества, широко използвани в ЯМР, се елиминират от бъбреците и изглежда причиняват бъбречно увреждане [110].

4.2.3. Ядрено-магнитен резонанс (MRI)

ЯМР е въведен в клиничната практика през 80-те години на миналия век и веднага се превръща в една от най-използваните образни техники [111]. ЯМР е неинвазивен и нейонизиращ метод за изобразяване, който прилага силно магнитно поле и чрез промяна на Т1 и Т2 контрастен агент могат да бъдат открити релаксиращите свойства на кръвта. Освен това, магнитно-резонансната ангиография (MRA) визуализира съдовата архитектура на малки животни чрез използване на контрастно средство на базата на гадолиний. Въпреки това, основен недостатък на MRA е трудната употреба на необходимия контрастен агент. За щастие, бъбречната перфузия може да се определи със и без необходимостта от контрастни вещества, предлагайки както предимства, така и ограничения [112].

Без използването на контрастен агент спин-маркирането се възползва от ендогенната вода като дифузионен индикатор, който прави възможно само количественото определяне на перфузията в бъбречната кора, тъй като времето за медуларно преминаване е твърде дълго, за да бъде уловено. Освен това, за да се определи бъбречният кръвен поток, се измерват фазовите измествания на завъртанията в една посока, което предполага необходимостта от перпендикулярна равнина на изобразяване към интересуващите ни артерии за постигане на точно измерване [112]. Следователно не е изненадващо, че тази техника представлява голямо предизвикателство, когато става въпрос за визуализиране на бъбречните артерии, да не говорим за малките кортикални капиляри.

Функционалността на съдовете може да се определи чрез количествено определяне на RBF чрез MR-перфузия и проследяване на състоянието на оксигенация чрез контрастно изображение, зависимо от нивото на кислород в кръвта (BOLD) [112,113]. Въпреки това, основното ограничение на функционалния ЯМР е постигането на надеждни и възпроизводими резултати в органи, които са засегнати от респираторни движения, които включват бъбрека, въпреки че е по-малко податлив на артефакти на движение в сравнение с черния дроб или червата [112]. Въпреки факта, че 1,5 Tesla функционални изследвания за осъществимост, извършени с ЯМР, предоставят голямо обещание при извършване на вокселно количествено определяне [114], аномалии на перфузията могат да бъдат открити само в патологични области, повдигайки въпроса дали незначителните съдови изменения ще бъдат достатъчно открити. С въвеждането на MRI скенер със сила на магнитното поле от 3.{13}} Тесла, съотношението сигнал/шум беше значително подобрено [115,116], но придобитата разделителна способност остава проблем.

Разделителната способност, осигурена от MRI, зависи главно от силата на магнитното поле и може да бъде оптимизирана за всяко дадено магнитно поле чрез адаптиране на импулсните последователности [111]. Пространствената разделителна способност е ограничена главно от съотношението сигнал/шум, което изисква бързо време за придобиване и обикновено постига разделителна способност от 3 × 4 mm в размер на пиксела [117]. Дори когато се прилага силно магнитно поле от 7 тесла, най-добрата разделителна способност, която може да се постигне с BOLD, е около 500 µm. Освен незадоволителната резолюция и ограничението за визуализиране на повечето динамични процеси, друг основен недостатък е, че ЯМР е свързан с високи разходи и изисква специални съоръжения и поддръжка.

4.2.4. Ултразвук

Напредъкът в ултразвука въведе промяна в парадигмата за неинвазивен мониторинг на структурни и функционални бъбречни микроваскуларни промени и отвори нови пътища за изследване на малки съдове с преносима система на сравнително ниска цена. При плъх модел на остра исхемия, причинена от тежка хипоперфузия за 1 час, бъбречният кръвен поток беше оценен в реално време чрез използване на цветен и импулсно-вълнов (PW) доплеров ултразвук [118]. Цветното доплерово изображение разкри също трудността да се визуализират дъговидните артерии поради относително малкия им размер и перпендикулярното позициониране на сондата за улавяне на артериалния поток, необходим за изчисляване на скоростта на кръвта и прилагане на доплерова ъглова корекция. Въпреки това, скоростта на кръвта може да бъде изчислена само в интрареналните артерии, т.е. сегментни, интерлобарни и аркуатни артерии. Съответно, информация за микроциркулацията не може да бъде получена поради ограничението на разделителната способност, осигурено от конвенционалния ултразвук.

С въвеждането на свръхбърза доплерова ултразвукова технология може да се постигне по-голяма разделителна способност чрез предаване на нефокусирана вълна, което изпраща няколко синхронни вълни с висока кадрова честота едновременно в едно цяло зрително поле, вместо сканиране ред по ред чрез прилагане на предаване на фокусиран лъч [119]. Това предаване на равнинни вълни е фундаменталната концепция зад ултрабързото доплерово ултразвуково изображение и прави възможно откриването на кортикални съдове на трансплантиран човешки бъбрек с диаметър под 1 mm [120]. Освен това ултрабързият доплеров ултразвук осигурява изключително благоприятна in vivo техника за наблюдение на бъбречната микроваскуларна рефакция в предклинични проучвания (Фигура 3А). Въпреки напредъка на ултрабързия доплеров ултразвук, достъпът до капилярно ниво все още зависи от използването на агенти с усилване на контраста [121]. Независимо от това, няма съществени опасения за безопасността при използване на агент с усилен контраст за доплер ултразвук, особено в сравнение с CT и MRI контрастни агенти, които често показват нефротоксичност [122]. Въпреки това, невероятно разделяне на мишата бъбречна васкулатура може да бъде постигнато in vivo (Фигура 3B).

Ултразвуковата локализираща микроскопия (ULM) реши компромиса между пространствената разделителна способност и дълбочината на проникване чрез, от една страна, прилагането на ултрабързо доплерово ултразвуково изображение и, от друга страна, използването на ултразвукови контрастни вещества под формата на пълни с газ микромехурчета [121,123,124]. Между другото, Errico et al. [123] предлага ULM за изобразяване на черепни микросъдове с диаметър 10 µm по цялата дълбочина на мозъка на мишка, който е с дебелина приблизително 10 mm. В скорошна публикация Demené et al. [125] може да улови динамиката на цереброваскуларния кръвен поток на микроскопично ниво дълбоко в човешкия мозък чрез проследяване на интравенозно инжектирани микромехурчета поотделно, за да подобри изображенията със супер разделителна способност и да позволи разделителна способност на съдовете до 25 µm. За да разберете това невероятно постижение, е изключително важно да споменем, че никой друг неинвазивен образен метод не може да визуализира микроваскулатурата in vivo под милиметрична скала. За да се постигне тази забележителна пространствена резолюция in vivo, имаше две големи предизвикателства за преодоляване: аберацията на черепа и артефактите на движението. Въпреки че приложението на ULM за коремни органи като бъбреците не е възпрепятствано от аберацията на костните структури, артефактите на движение представляват голяма трудност. Въпреки това, последните in vivo проучвания успешно предоставиха първи опити за изобразяване на бъбречната васкулатура чрез ULM [5,126,127].

Могат да бъдат разграничени различни съдови отделения в бъбрека на плъх и чрез прилагане на микромехурчета разделителната способност беше увеличена, за да се визуализират тънките снопове съдове на vasa recta, които са разделени на разстояние от 400 µm един от друг [5]. Освен това, аксиалната скорост на кръвта, т.е. под 2 mm/s, свързана с потока на бъбречните микросъдове, е оценена чрез проследяване на инжектирани микромехурчета с диаметър 1 µm, които могат да достигнат диаметър на съда, по-малък от 20 µm. Song и др. [127] изобразяват бъбречните кортикални микросъдове на зайци и могат ясно да отделят съдове in vivo с диаметър 76 µm. Въпреки че дихателните движения могат да бъдат коригирани, артефактите на движение извън равнината остават предизвикателни и невъзможни за коригиране, тъй като информацията за изображения не може да бъде напълно получена [5].

Наскоро прогресията на AKI към CKD е изследвана чрез контрастно усилен ултрабърз доплеров ултразвук в миши модел на едностранна IRI [6]. Чрез инжектиране на микромехурчета бяха идентифицирани 32 µm малки бъбречни кръвоносни съдове и количествено определени съдови промени в бъбрека, т.е. бъбречен кръвен обем, васкуларна плътност и изкривяване. Васкуларната плътност на кората и кортикомедуларното съединение, получена чрез ултразвук по време на in vivo изобразяване, е в съответствие с количественото определяне, получено след CD31 имунооцветяване, което е признато за златен стандарт в съдовата биология. Това е в съответствие с друго проучване, извършено от Cao et al. [128], което илюстрира, че тежестта на AKI може да бъде определена чрез ултразвук с усилен контраст чрез инжектиране на микромехурчета. Измерванията на бъбречната перфузия in vivo са тясно свързани с бъбречното увреждане, определено на хистологично ниво.

В съответствие с тези ултразвукови изследвания, Hueper et al. [7] по-рано предполагат, че бъбречната перфузия може да предскаже прогресията на AKI към CKD, определена чрез MRI.

Ултразвуковото изобразяване с микромехурчета на бъбречната васкулатура вече е извършено успешно при хора за определяне на бъбречната микроваскуларна перфузия и показва големи перспективи за диагностика [129–133]. Интересно е, че този образен метод е приложен при бъбречна трансплантация за определяне на перфузионния статус на бъбречни алографти, което може да осигури подходящо неинвазивно отчитане за прогнозиране на остро отхвърляне [134]. Освен зависимостта от оператора, която може да представлява ограничение при използването на ултразвук, силата на съгласието между наблюдателите беше много висока между двама читатели, което отразява голяма осъществимост при прилагане в клинични условия [132]. Благодарение на преносимостта и спестяващото време и просто персонализирано приложение, ултразвукът с контрастно усилени микромехурчета предоставя страхотни перспективи за оценка на бъбречната микроваскулатура в клиничната практика, особено при пациенти в интензивно отделение [135]. Следователно тази технология предлага голямо обещание за пренасяне в клиничната практика след успешно овладяване на корекцията на артефактите на движение на корема за стабилно проследяване на микромехурчета с висока точност.

5. Заключения и перспективи

Поразителната хетерогенност на бъбречната васкуларна архитектура отразява нейното сложно функционално разнообразие и компартментализация, с логично следствие, че изучаването на микроваскуларна промяна и разреждане изисква сложни образни методи. Разработването, прилагането и подобряването на in vivo образни методи за изследване на бъбречно-съдови заболявания ще осигури по-добро разбиране на действието на клетъчни терапии като MSC на васкуларно ниво и може да изясни специфични биомаркери, които могат да бъдат наблюдавани по време на прогресирането на заболяването.

Препратки

1. Chade, AR Структура и разреждане на бъбречните съдове. компр. Physiol. 2013, 3, 817–831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Малки съдове, Голяма роля: Бъбречна микроциркулация и прогресиране на бъбречно увреждане. Хипертония 2017, 69, 551–563. [CrossRef] [PubMed]

3. Ehling, J.; Bábícková, J.; Gremse, F.; Klinkhammer, BM; Бетке, С.; Knochel, R.; Kiessling, F.; Floege, J.; Lammers, T.; Boor, P. Количествена микрокомпютърна томография на съдова дисфункция при прогресиращи бъбречни заболявания. J. Am. Soc. Нефрол. 2016, 27, 520–532. [CrossRef] [PubMed]

4. Чен, TK; Knicely, DH; Grams, ME Диагностика и управление на хронично бъбречно заболяване: преглед. Physiol. поведение. 2019, 322, 1294–1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Джан, Х.; Илович, Т.; Mahakian, L.; Там, С.; Ferrara, KW Ултразвукова локализираща микроскопия за изобразяване и оценка на микроваскулатурата в бъбрек на плъх. Sci. Rep. 2017, 7, 13662. [CrossRef] [PubMed]

6. Чен, К.; Ю, Дж.; Ръш, BM; Stocker, SD; Тан, RJ; Kim, K. Kidney Int. 2020, 98, 355–365. [CrossRef] [PubMed]

7. Хюпер, К.; Gutberlet, М.; Rong, S.; Хартунг, Д.; Менгел, М.; Лу, X.; Haller, H.; Wacker, F.; Майер, М.; Gueler, F. Остра бъбречна травма: Артериално спиново маркиране за наблюдение на бъбречно перфузионно увреждане при мишки - Сравнение с хистопатологични резултати и бъбречна функция. Радиология 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

8. Леви, Б.И.; Schiffrin, EL; Мурад, JJ; Агостини, Д.; Вико, Е.; Сафар, ME; Struijker-Boudier, HA Нарушена тъканна перфузия, патология, обща за хипертония, затлъстяване и захарен диабет. Тираж 2008, 118, 968–976. [CrossRef]

9. Кармелиет, П.; Jain, RK Молекулярни механизми и клинични приложения на ангиогенезата. Nature 2011, 473, 298–307. [CrossRef]

10. Молема, Г.; Aird, WC Съдова хетерогенност в бъбрека. Семин. Нефрол. 2012, 32, 145–155. [CrossRef]

11. Армулик, А.; Абрамсън, А.; Betsholtz, C. Ендотелиални / перицитни взаимодействия. Circ. Рез. 2005, 97, 512–523. 03.16652.d7. [CrossRef]

12. Атуел, Д.; Мишра, А.; Хол, CN; О'Фарел, FM; Dalkara, T. Какво е перицит? J. Cereb. Метаб на кръвния поток. 2016, 36, 451–5. [CrossRef]

13. Еванс, RG; Eppel, GA; Андерсън, WP; Denton, KM Механизми, лежащи в основата на диференциалния контрол на кръвния поток в бъбречната медула и кората. J. Hypertens. 2004, 22, 1439–1451. [CrossRef]

14. Pallone, TL; Silldorff, EP; Turner, MR Интраренален кръвен поток: микроваскуларна анатомия и регулиране на медуларната перфузия. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1998, 25, 383–392. doi:10.1111/j.1440-1681.1998.tb02220.x. [CrossRef]

15. Pallone, TL; Едуардс, А.; Mattson, DL Бъбречна медуларна циркулация. компр. Physiol. 2012, 2, 97–140. [CrossRef] [PubMed]

16. Guerci, P.; Ергин, Б.; Ince, C. Макро- и микроциркулацията на бъбреците. Най-добра практика. Рез. Clin. Анестезиол. 2017, 31, 315–329. [CrossRef]

17. Шоу, И.; Райдър, С.; Mullins, J.; Хюз, Дж.; Péault, B. Перицити в бъбречната васкулатура: Роли в здравето и болестта. Нац. преп. Нефрол. 2018, 14, 521–534. [CrossRef]

18. Розивал, Л.; Peti-Peterdi, JJ Хетерогенност на аферентната артериола - корелации между морфология и функция. Нефрол. Набиране. Трансплантация. 2006, 21, 2703–2707. [CrossRef]

19. Стефанска, А.; Kenyon, C.; Кристиан, HC; Buckley, C.; Шоу, И.; Mullins, JJ; Péault, B. Човешките бъбречни перицити произвеждат ренин. Kidney Int. 2016, 90, 1251–1261. [CrossRef]

20. Schlondorff, DO Преглед на факторите, допринасящи за патофизиологията на прогресивното бъбречно заболяване. Kidney Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

21. Pallone, TL; Джан, З.; Rhinehart, K. Физиология на бъбречната медуларна микроциркулация. Am. J. Physiol. Рен. Physiol. 2003, 284, F253–66. [CrossRef] [PubMed]

22. Pallone, TL Сложни съдови снопчета, дебели възходящи крайници и аквапорини: Изстискване на външната медула. Am. J. Physiol. Рен. Physiol. 2014, 306, 505–506. [CrossRef] [PubMed]

23. Zimmerhackl, BL; Робъртсън, CR; Jamison, RL Медуларната микроциркулация. Kidney Int. 1987, 31, 641–647. [CrossRef] [PubMed]

24. Дюма, SJ; Мета, Е.; Бори, М.; Luo, Y.; Ли, X.; Rabelink, TJ; Carmeliet, P. Фенотипно разнообразие и метаболитен. Нац. преп. Нефрол. 2021, 1–24. [CrossRef]

25. Дюма, SJ; Гарсия-Кабалеро, М.; Carmeliet, P. Метаболитни сигнатури на различни ендотелни фенотипове. Тенденции Ендокринол. Metab. 2020, 31, 580–595. [CrossRef]

26. Jourde-Chiche, N.; Фахури, Ф.; Dou, L.; Белини, Дж.; Бърли, С.; Формат, М.; Jarrot, PA; Каплански, Г.; Le Quintrec, М.; Пернин, В.; et al. Структура и функция на ендотела при бъбречно здраве и заболяване. Нац. преп. Нефрол. 2019, 15, 87–108. [CrossRef]

27. Лонг, DA; Норман, JT; Добре, LG Възстановяване на бъбречната микроваскулатура за лечение на хронично бъбречно заболяване. Нац. преп. Нефрол. 2012, 8, 244–250. [CrossRef]

28. Чой, YJ; Чакраборти, С.; Нгуен, В.; Nguyen, C.; Ким, BK; Шим, SI; Суки, WN; Truong, LD Перитубулна капилярна загуба е свързана с хронично тубулоинтерстициално увреждане в човешки бъбрек: Променена експресия на васкуларен ендотелен растежен фактор. тананикам Патол. 2000, 31, 1491–1497. [CrossRef]

29. Иши, Й.; Савада, Т.; Кубота, К.; Fuchinoue, S.; Тераока, С.; Shimizu, A. Нараняване и прогресивна загуба на перитубулни капиляри при развитието на хронична алографтна нефропатия. Kidney Int. 2005, 67, 321–332. [CrossRef]

30. Серон, Д.; Алексопулос, Е.; Рафтери, MJ; Хартли, Б.; Cameron, JS Брой на интерстициалните капилярни напречни сечения, оценени с моноклонални антитела: Връзка с интерстициалното увреждане. Нефрол. Набиране. Трансплантация. 1990, 5, 889–893. [CrossRef]