Slikanje ledvične mikrocirkulacije v celični terapiji

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Katerina Apelt et

Cistanche steblo za bolezni ledvic, kliknite tukaj za vzorec

Povzetek:

ledvičnamikrovaskularna redčenje igra ključno vlogo pri napredovanjuledvicabolezen. Zato bodo načini za vizualizacijo mikrocirkulacije ledvic povečali naše razumevanje mehanizmov bolezni in posledično lahko zagotovili nove pristope za ocenjevanje celične terapije. Trenutno pa v klinični praksi manjkajo neinvazivni, varni in učinkoviti načini slikanja za spremljanje ledvičnih mikrovaskularnih sprememb skozi čas pri bolnikih z ledvično boleznijo. Da bi poudarili pomen, smo povzeli trenutno znanje o ledvični mikrocirkulaciji in razpravljali o vpletenosti v progresivno ledvično bolezen. Poleg tega je predstavljen pregled razpoložljivih slikovnih tehnik za odkrivanje ledvične mikrovaskularne morfologije, delovanja in obnašanja s povezanimi prednostmi in omejitvami. Nenazadnje lahko potreba po ocenjevanju in raziskovanju ledvične bolezni na podlagi odčitkov in vivo z ločljivostjo do kapilarne ravni povzroči spremembo paradigme za diagnozo in terapijo na področjunefrologija.

Ključne besede: ledvica; mikrocirkulacija; mikrovaskularnaredčenje; celična terapija; slikanje

1. Uvod

Ledvična vaskulatura ima anatomsko kompleksno zgradbo, ki odraža njeno edinstveno fiziološko funkcijo [1]. Kljub zelo dinamičnemu prilagajanju mikrovaskularnega omrežja hemodinamskim spremembam je lahko vaskularna disfunkcija posledica ali celo vzrokledvicarazvoj in napredovanje bolezni [2,3]. Skladno s tem lahko mikrovaskularna disfunkcija služi kot zgodnji znak fibrotične poškodbe ledvic, kar pomeni, da bi bila neinvazivna ocena in validacija ledvične mikrovaskularne arhitekture in delovanja veliko izboljšanje za oceno učinkovitosti terapij, katerih cilj je zmanjšanje ledvične fibroze.

V klinični praksi je resnost kroničneledvicaBolezen (CKD) je razvrščena na podlagi hitrosti glomerulne filtracije (GFR), ki odraža blago (60–89 ml/min/1,73 m2), zmerno (30–59 ml/min/1,73 m2) ali hudo (15–29 ml/ min/1,73 m2 ) zmanjšalledvicafunkcijona podlagi vnaprej določenih kategorij [4]. Napredovanje bolezni v napredovalo KLB in končno ledvično odpoved (ESRD) je opredeljeno s pojavom glomeruloskleroze in tubulointersticijske fifibroze z GFR manj kot 15 ml/min/1,73 m2. Številne študije so pokazale, da je pojav izgube ledvičnih kapilar, tj ledvična mikrovaskularna redčenost, tesno povezan z resnostjo bolezni ledvic in je vključen v biologijo poznejšega napredovanja v kronično ledvično bolezen [3,5–7]. Tvorba ledvične fifibroze je bila poudarjena kot osrednja značilnost takšne peritubularne kapilarne izgube in posledične izgube ledvičnega epitelija. Če je mikrovaskulaturo ledvic mogoče zaščititi ali celo obnoviti, bi se celovitost ledvičnega strukturnega tkiva izboljšala in preprečilo napredovanje bolezni [2,8]. Poleg tega je potencialno mogoče opredeliti terapevtsko okno za oceno resnosti poškodbe, preden je stopnja ledvične okvare nepopravljiva. Zlasti je mogoče oceniti in izboljšati uporabo celičnih terapij, kot so obetavne aplikacije mezenhimskih stromalnih celic (MSC), za zdravljenje bolezni ledvičnih žil. Vendar pa je podrobno razumevanje ledvične mikrovaskularne redkosti še vedno ovirano zaradi odsotnosti slikovnih modalitet, ki omogočajo visoko ločljivost in neinvazivno spremljanje arhitekture in funkcionalnosti žil.

V tem pregledu povzemamo trenutno znanje o ledvični mikrovaskulaturi in patoloških mehanizmih, ki lahko vplivajo na mikrocirkulacijo. Razpravljamo o pomenu pericitov in nudimo vpogled v njihovo osrednjo vlogo pri povzročanju napredovanja ledvične bolezni prek mikrovaskularne disfunkcije in redčenja ter razvojaledvicafibroza. Kasneje opisujemo nov razvoj tehnik slikanja, ki bi lahko spremljale takšne spremembe v ledvični mikrocirkulaciji.

2. Ledvična vaskulatura

2.1. Ledvični krvni obtok

Mikrovaskulatura človeškega telesa je sestavljena iz arteriol, kapilar in venul ter omogoča izmenjavo kisika, hranil in metabolitov med krvjo in okoliškim tkivom [8, 9]. Očitno je vitalna funkcija mikrocirkulacije strogo regulirana glede na presnovne potrebe organa. Glavna odgovornost arteriol je uravnavanje pretoka krvi s prilagajanjem upora, da se zagotovi vitalna izmenjava na ravni kapilar [10]. V zvezi s tem je stalno prilagajanje homeostatskemu povpraševanju osnovnega tkiva v glavnem odvisno od dinamične plastičnosti endotelijskih celic. Hkrati je endotelno zdravje mikrocirkulacije odvisno od tesne medcelične komunikacije s periciti, ki fizično stabilizirajo krvne žile, uravnavajo angiogenezo in nadzorujejo pretok krvi [11,12].

Ledvica je visoko vaskulariziran organ z edinstvenimi morfološkimi in funkcionalnimi značilnostmi, ki odražajo izjemno heterogenost njenega žilnega omrežja [1,10]. Kri vstopi v ledvico preko ledvične arterije skozi hilum (slika 1), ki se v ledvičnem pelvisu nadalje dihotomno deli na segmentne arterije in se postopoma razveja na ravni male čašice v interlobarne arterije, ki se širijo med ledvičnimi piramidami [1,13]. ]. Na meji med skorjo in medulo se interlobarne arterije izlivajo v arkuatne arterije, ki tvorijo anatomsko ločitev med obema ledvičnima oddelkoma [1]. V skorji interlobularne arterije, znane tudi kot kortikalne radialne arterije ali kortikalne prodorne arteriole, izvirajo pravokotno iz arkuatnih arterij in se razhajajo v aferentne arteriole, da oskrbujejo različne veje glomerularnega drevesa. Odvisno od lokacije glomerulov se filtrirana kri zbira v kortikalnem kapilarnem pletežu, ki obdaja proksimalne in distalne tubule, ali v medularnem kapilarnem pletežu na ravni Henlejeve zanke. Končno kri odteče v venski sistem, ki poteka vzporedno z arterijsko mrežo, ki zapušča ledvico preko interlobularne, arkutne, interlobarne, segmentne in na koncu ledvične vene tik nad sečevodom. Na splošno je ta osnovni žilni vzorec ohranjen pri vseh sesalcih [14,15].

2.2. Kapilarne mreže ledvic

Kompleksnost arhitekture ledvične mikrovaskulature se odraža v raznoliki morfologiji različnih ledvičnih krvnih žil (slika 2). Strukturna in funkcionalna heterogenost ledvičnega endotelija in okoliških perivaskularnih celic je tesno povezana z vrsto kapilarne mreže [15–17]. Pravzaprav je prisotnost različnih kapilarnih postelj izjemna značilnost, ki zagotavlja filtracijo skozi glomerularno kapilarno mrežo, pa tudi izločanje in reabsorpcijo preko peritubularne kapilarne mreže in medularne kapilarne mreže [1,13,14]. Kortikalna mikrocirkulacija v glavnem zagotavlja reabsorpcijo glomerulnega filtrata, medtem ko izločanje soli in vode pretežno uravnava medularni mikrovaskularni kompartment [14]. Zanimivo je, da čeprav medula predstavlja približno 30 odstotkov celotne mase ledvičnega tkiva, le 10 odstotkov celotnega ledvičnega krvnega pretoka (RBF) obsega ta del [10]. Glede na anatomski položaj lahko ledvično mikrocirkulacijo razdelimo na (i) kortikalno mikrocirkulacijo; in (ii) medularno mikrocirkulacijo [13,14].

Kortikalna mikrocirkulacija je fizično ločena z arkuatnimi arterijami, iz katerih nastanejo interlobularne arterije, ki se nadalje razvejajo z obeh strani v več aferentnih arteriol za oskrbo glomerularne kapilarne mreže [14]. Razvejanje poteka pod različnim kotom, odvisno od lokacije glomerulov v skorji. Preko aferentne arteriole se glomerulna kapilarna mreža, sestavljena iz 6–8 kapilarnih zank, oskrbuje s krvjo, ki po filtriranju izstopa skozi eferentno arteriolo [10]. Glomerularne kapilare (slika 2a) so sestavljene iz tankega, kontinuiranega in večinoma ploščatega fenestriranega endotelija, ki je prekrit s podociti. Fenestrirana območja lahko zavzemajo do 20–50 odstotkov njihove celotne celične površine [16]. Kortikalni glomeruli predstavljajo 90 odstotkov vseh glomerulov, prisotnih v ledvicah, zato ni presenetljivo, da večina RBF pretežno teče skozi [13]. Preostalih 10 odstotkov vseh glomerulov se nahaja na kortiko-medularni meji in so večji. Poleg razlik v velikosti glomerulov je mogoče strukturne razlike aferentnih in eferentnih arteriol, ki oskrbujejo kortikalne in jukstamedularne glomerule, pojasniti s pomenom ohranjanja kapilarnega tlaka.

Da bi zagotovili pravilno filtracijo krvi, je razlika v premeru med kortikalnimi aferentnimi (slika 2b) in kortikalnimi eferentnimi (slika 2c) arteriolami 15 µm v primerjavi z 10 µm [13]. Krvni tlak se uravnava na strani aferentnih arteriol s pomočjo sprememb odpornosti, ki pojasnjujejo kontinuiran endotelij, ki je ovit z gladkimi mišičnimi celicami (SMC) [18]. Natančnejši pregled aferentne arteriole razkrije prisotnost dveh žilnih segmentov namesto enotnega endotelija vzdolž celotne dolžine žile, kot se pogosto pojavlja. Proksimalni del aferentne arteriole je sestavljen iz neprepustnega endotelija s tesno razporejenimi SMC, ki so potrebni za krčenje žil. V nasprotju z distalnim delom, ki je blizu glomerula in je sestavljen iz prepustnega endotelija zaradi prisotnosti fenestracije. Zanimivo je, da je ta fenestracija precej neobičajna značilnost v žilah z visokim intravaskularnim tlakom. Poleg tega periciti v obliki kocke, ki proizvajajo renin, ovijejo distalni del aferentne arteriole, da posredujejo pri regulaciji lokalnega krvnega tlaka v glomerulu [17,19].

Filtrirana kri izstopa iz vsakega od kortikalnih glomerulov preko eferentne arteriole, da se združi v gost kortikalni kapilarni pleksus, ki obdaja ledvične tubule [10]. Poleg glomerularnega kapilarnega sistema je ta drugi kapilarni prekat znan kot peritubularni kapilarni sistem [16]. Peritubularne kapilare (slika 2d) so fenestrirane in tankostenske s povprečnim premerom približno 7 µm [13,15]. Te kapilare zagotavljajo kisik in hranila tubulom, ki se nahajajo v ledvični skorji, vendar ne nujno tisti, iz katere izvirajo [10,15]. Peritubularne kapilare imajo bolj kontinuiran endotelij in manjši premer v primerjavi z medularnimi kapilarami vasa recta [13,16]. Pri ledvični bolezni bo glomerularna poškodba končno vplivala na nizvodno zaporedno razporejene peritubularne kapilare in s tem pospešila napredovanje ledvične bolezni [10,20].

Jukstamedularna aferentna arteriola (slika 2e) ima približno premer 20 µm, medtem ko ima jukstamedularna eferentna arteriola (slika 2f) debelejši notranji premer 20–25 µm [13]. Eferentna arteriola, ki izstopa iz jukstamedularnega glomerula, je močno obdana z več SMC. Ta opazna razlika v premeru žil, kot tudi povečana muskularizacija, sprožata razpravo o vpletenosti te vrste glomerulusa v ishemijo. Zdi se, da je vaskularna arhitektura ledvic organizirana na določen način, da ohrani medulo pred ishemično poškodbo. Obstaja hipoteza, da aferentne in eferentne arteriole jukstamedularnih glomerulov morda niso odgovorne za uravnavanje medularne krvne celice (MBF), vendar bi bilo to tudi v potencialnem nasprotju z njihovo vlogo pri nadzoru hitrosti glomerulne filtracije [21]. Namesto tega se zdi, da je padajoča vasa recta (DVR) vaskularnih snopov, ki se nahajajo v notranjem pasu zunanje medule, odgovorna za nadzor MBF, kar lahko pojasni veliko število pericitov, ki ovijajo ta prekat žile. DVR ima torej ključno vlogo pri dolgoročni regulaciji arterijskega tlaka [13]. Eferentne arteriole, povezane z jukstamedularnimi glomeruli, tečejo skozi žilne snope, ki se nahajajo v notranjem pasu zunanje medule, se spremenijo v DVR. DVR povzroči nastanek medularne kapilarne mreže, ki je povezana z naraščajočo vasa recta (AVR) [1].

Medularna mikrocirkulacija se začne, ko eferentne arteriole, ki izvirajo iz jukstamedularnih glomerulov, vstopijo globlje v tkivo, da oskrbijo preostalih 30 odstotkov ledvičnega tkiva, znanega kot medula [13,14]. Medula ene ledvične piramide je anatomsko razdeljena na dva dela: zunanjo medulo, ki se nahaja tik pod skorjo, sledi pa ji notranja medula, ki se razprostira do vrha parenhima, imenovana papila. Na splošno se število medularnih kapilar poveča od konice ledvične piramide. Natančnejše opazovanje kaže, da je zunanjo medulo mogoče nadalje razdeliti na zunanji trak in visoko vaskulariziran notranji trak, ki vsebuje gost kapilarni pleksus in pleksus med snopi [15]. Za kapilare med snopi je značilen fenestriran endotelij in so povezane z arkuatno veno [14, 22].

Vsaka jukstamedularna eferentna arteriola se razcepi na več snopov, znanih kot vaskularni snopi, da tvorijo veje DVR (slika 2g), ki imajo večji premer v primerjavi s peritubularnimi kapilarami korteksa [15,23]. Več pericitov je pritrjenih na endotelij DVR žilnih snopov [17]. Zanimivo je, da se število pericitov, ki ovijajo žile, zmanjša v DVR (slika 2h) notranje medule [15,17]. Ta morfološka ureditev DVR v zunanjem in notranjem predelu medule odraža njegovo dvojno funkcijo [10]. Če pojasnimo, se vazokonstrikcija DVR večinoma pojavi v proksimalnem delu, ki se nahaja v zunanji meduli [15]. V distalnem delu, torej v notranji meduli, pa poteka predvsem izmenjava elektrolitov. Ta anatomska razlika neposredno implicira izrazito subpopulacijo pericitov v smislu morfološkega videza in funkcionalnih lastnosti [15,17].

Globoko znotraj notranje medule se različne veje DVR razcepijo v zapleteno kapilarno mrežo, preden se povežejo z znatno manjšim AVR [10]. Endotelij DVR je neprekinjen, v nasprotju z endotelnimi celicami AVR (slika 2i), ki so močno fenestrirane. Sčasoma se vsa kri zbere iz AVR, pa tudi iz peritubularnih kapilar kortikalnega kapilarnega pleksusa v venski sistem. Na splošno imajo ledvične vene izjemno tanko žilno steno, interlobularne, arkuate in interlobarne vene pa so fenestrirane in vsebujejo diafragme. Presenetljivo je, da imajo interlobularne vene na splošno večjo podobnost s peritubularnimi kapilarami kot z venami zaradi tankega in močno fenestriranega epitelija.

Različni ledvični mikrovaskularni segmenti in njihov eleganten morfološki videz na celični ravni vzbujajo sum, da je obstoječa kompleksnost prevedena v še bolj zapleten mehanizem bolezni. Zato se naslednji razdelek osredotoča na osnovne procese, ki so vključeni v ledvične mikrovaskularne okvare.

3. Ledvične mikrovaskularne okvare

3.1. Endotelijska disfunkcija

Ledvični endotelij v fizioloških pogojih večinoma miruje; vendar kot odziv na spremembe mikrookolja, tj. strižni stres, hipoksijo, oksidativni stres ali vnetje, pride do aktivacije endotelijskih celic in nastanejo angiogeni rastni faktorji [24]. Odvisno od sprožilca lahko aktivacija endotelijskih celic inducira vnetni in protrombotični fenotip za spodbujanje adhezije in infiltracije imunskih celic za tvorbo mikrotrombov. Vendar pa je za ohranitev vaskularne pregrade za primerno obsežno regulacijsko funkcijo in prepustnost za transport raztopljene snovi bistveno, da natančno uravnavate presnovno stanje mirujočih in aktiviranih endotelijskih celic.

Celovitost tkiva in delovanje organa sta v glavnem odvisna od ustrezne perfuzije mikrovaskularne mreže [8]. Zato ni presenetljivo, da imajo endotelijske celice visoko plastičnost, da zagotovijo dinamično prilagajanje okoljskim spremembam s prilagajanjem kapilarnega števila, morfološke oblike in funkcije [1,2,8]. Dolgotrajno obdobje povišanega krvnega tlaka pa povzroči ireverzibilne spremembe v mikrocirkulaciji, kar povzroči nastanek poškodovanih endotelijskih celic, za katere so značilne oslabljene prilagoditvene lastnosti. Ta motena homeostaza se odraža v zmanjšanju dušikovega oksida (NO), faktorja, ki povzroča hipoksijo-1 (HIF-1) in vaskularnega endotelijskega rastnega faktorja (VEGF), skupaj s povečanjem drugih dejavnikov, kot so kot so angiostatin, endostatin in trombospondin [1]. Predvsem je dovzetnost za endotelijsko disfunkcijo v ledvicah raznolika in je odvisna od vrste endotelijskih celic, ki se nahajajo v različnih predelih ledvične mikrocirkulacije [16, 24]. Da bi pojasnili heterogene fenotipe ledvičnih endotelijskih celic in njihov različen odziv na mikrovaskularne spremembe, Dumas et al. [25] je nedavno zagotovil atlas visoke ločljivosti ledvičnega endotelija z uporabo enoceličnega sekvenciranja RNA.

Endotelijska disfunkcija se pogosto pojavi sočasno z akutnim in progresivnim upadom delovanja ledvic [24]. Ta okvara povzroči povečan žilni upor, ki ga spremlja zmanjšanje RBF [26]. Dolgotrajno obdobje vazokonstrikcije povzroči neustrezno tkivno perfuzijo in aktivacijo stresnih in rastnih faktorjev, kar povzroči morfološke spremembe [1]. Odvisno od resnosti in zlasti trajanja katerega koli danega insulta se lahko RBF nepovratno spremeni z uvedbo strukturnih sprememb v mikrocirkulaciji. Te morfološke spremembe povzroča proces, znan kot mikrovaskularno preoblikovanje. Mikrovaskularno preoblikovanje je definirano kot odziv na funkcionalne spremembe mikrovaskulature, ki lahko posledično povzročijo spremembo mikrovaskularne arhitekture na strukturni ravni v zadnjem poskusu doseganja hemodinamske homeostaze [1,2,8]. Končno lahko endotelijska disfunkcija povzroči pojav, imenovan "no-reflow", pri čemer perfuzije ni mogoče obnoviti, kar sčasoma vodi do poškodbe tubularnih epitelijskih celic, ki povzroči akutno ledvično poškodbo (AKI) [24].

Zelo pomembno je poudariti, da endotelijska disfunkcija ni povezana samo z boleznijo ledvic, ampak tudi aktivno spodbuja napredovanje bolezni [24]. Ledvična mikrovaskularna okvara se odraža z endotelno disfunkcijo, ki jo povzroči poškodba celice, kar moti tesno interakcijo pericitov z endotelijsko plastjo in ovira celično komunikacijo.

3.2. Vpletenost pericitov v okvaro ledvic

Osrednja značilnost kronične ledvične bolezni je progresivna izguba peritubularne kapilarne mreže, proces, ki se imenuje redčenje [27]. Pred tubulointersticijsko fifibrozo in poškodovanim tubulnim epitelijem pride do redčenja kapilar v ledvicah [27], medtem ko je to mikrovaskularno redčenje neposredno povezano z resnostjo fifibroze [28, 29]. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da obseg redčenja napoveduje stopnjo poškodbe intersticija kot tudi spremembe v hitrosti glomerulne filtracije pri bolnikih s kronično ledvično boleznijo [28]. Te ugotovitve kažejo na zgodnjo vlogo, ki omejuje hitrost mikrovaskularne destabilizacije/izgube pri razvoju kronične ledvične bolezni in patogenezi fibroze [30]. Kronična aktivacija endotelijskih celic zaradi kardiovaskularnih dejavnikov tveganja lahko povzroči izgubo pericitov, ki imajo ključno vlogo pri stabilizaciji in proliferaciji kapilar prek interakcij z endotelijskimi celicami [31]. Dejansko zbiranje dokazov natančno kaže na pomen pericitov in njihovo vpletenost v zdravje mikrovaskularnega sistema ledvic [17].

Periciti so perivaskularne stenske celice s podolgovatimi procesi, ki pokrivajo endotelij in so vgrajeni v bazalno membrano kapilar [32]. So celice mezenhimskega izvora in izhajajo iz Forkhead box D1 (FoxD1) in populacije stromalnih progenitorjev, ki prav tako povzročajo druge stenske celice vaskulature ledvic, vključno s SMC, rezidenčnimi fibroblasti, celicami renina in mezangialnimi celicami [33], medtem ko vse endotelne celice vaskulature ledvic izvirajo iz levkemije matičnih celic (SCL) in prednikov [34]. Periciti se razlikujejo od rezidenčnih (perivaskularnih) fibroblastov, saj so vdelani v vaskularno bazalno membrano, vendar večina študij na ledvicah ne razlikuje med periciti in perivaskularnimi fibroblasti [31,35], verjetno zaradi pomanjkanja specifičnih markerjev. Označevalci, ki se običajno uporabljajo za identifikacijo pericitov, vključujejo receptor rastnega faktorja, pridobljen iz trombocitov (PDGFR), hondroitin sulfat proteoglikan NG2, aktin gladkih mišic (SMA), diferenciacijski grozd 73 (CD73) in PDGFR, vendar ti markerji identificirajo različne ( prekrivajoče se) podskupine pericitov, lokaliziranih v različnih anatomskih regijah, kar odraža heterogenost te celične populacije [17] in najverjetneje tudi funkcionalno heterogenost. Periciti natančno uravnavajo vaskularni razvoj, stabilizacijo, zorenje in preoblikovanje [11] ter nadzorujejo pretok krvi z vazokonstrikcijo. Pericite funkcionalno uravnavajo vazokonstrikcijski dejavniki, kot sta angiotenzin II in adenozin trifosfat (ATP), pa tudi vazodilatatorni dejavniki, kot sta NO in prostaglandini [17]. Zorenje krvnih žil je odvisno od rekrutacije perivaskularnih celic za stabilizacijo vaskulature in nadzor krvnega tlaka [12].

V ledvicah periciti ovijajo distalne dele aferentnih arteriol kortikalnih glomerulov in so v glavnem prisotni v peritubularnih kapilarah in vasa recta [13,19]. Poleg tega so mezangialne celice (specializirana) podskupina ledvičnih pericitov, ki so pomembni pri ohranjanju strukturne podpore za glomerularne kapilare in uravnavanju glomerularne hemodinamike. Poleg tega kontraktilni jukstaglomerularni periciti, ki se nahajajo na arteriolah, posredujejo lokalni glomerularni krvni tlak in vplivajo na sistemski krvni tlak prek izločanja renina [19]. Zanimivo je, da so prekurzorske celice renina, ki izvirajo iz stromalnega predela, prostorsko-časovno povezane z razvojem krvnih žil, medtem ko se je pokazalo, da je pred nastankom arterijske veje na mestu razvejanja prišlo do pojava celic, ki izražajo renin [33,36]. Poleg tega je bilo z uporabo transgene reninske reporterke cebrice dokazano, da celice, ki izražajo renin, nastanejo pred angiogenimi kalčki [37]. V ledvicah odrasle miši opazimo tudi celice reninskega izvora na perivaskularnih lokacijah in sočasno obarvane s pericitnimi markerji (PDGFR /NG2) [38], kar kaže na morebitno pomembno vlogo te podskupine pri vzdrževanju žil.

3.3. Signalne interakcije endotelijskih celic in pericitov

Periciti medsebojno delujejo z endotelijskimi celicami preko množice vzajemnih interakcij, ki uravnavajo signalne poti, potrebne za stabilizacijo in angiogeno kaljenje. Pericitni signal do endotelija prek izločenih faktorjev, kot so VEGF, PDGF, transformirajoči rastni faktor (TGF-) in angiopoetin-1 (Ang-1), pa tudi z neposrednim preslušavanjem endotelija in pericita [39]. ]. Podobno endotelij signalizira okoliškim stromalnim celicam z uporabo dejavnikov, kot sta angiopoetin-2 (Ang-2) ​​in PDGF. Ang-2 negativno moti Ang-1-posredovano Tie-2 signaliziranje, kar ima za posledico prekinitev interakcije pericit–endotelne celice in posledično destabilizacijo žil ter nenormalno mikrovaskularno preoblikovanje [40,41]. Ključni pomen interakcije med perivaskularnimi stromalnimi celicami in endotelijskimi celicami pri vzdrževanju kapilarne mreže dokazujejo tudi študije na miših, ki dokazujejo, da je, ko je vlaganje pericitov ovirano, kapilarna mreža destabilizirana in pride do redčenja [42]. Na primer, hiperglikemija poveča ekspresijo endotelnega Ang-2, kar povzroči, da perivaskularne stromalne celice migrirajo stran od kapilar [43]. Nedavne študije iz našega laboratorija so pokazale, da tako pri podganah [44] kot pri ledvicah človeških darovalcev [45] ishemično-reperfuzijska poškodba vodi do hitrega zvišanja ravnovesja Ang-2/Ang-1, kar je povezano z izgubo mikrovaskularne celovitosti. Poleg tega so pri bolnikih s sladkorno boleznijo v 12 mesecih po sočasni presaditvi ledvice in trebušne slinavke opazili spremembo zdravja kapilar in zmanjšanje razmerja Ang-2/Ang-1 in topnega trombomodulina (označevalec poškodbe endotelijskih celic) [46]. ]. Poleg poti angiopoetin/Tie2 [47] preslušavanje endotelija in pericita uravnavajo signalne poti superdružine TGF [48], VEGF [49] in signalne poti sfingozin-1-fosfata (S1P) [50].

3.4. Periciti kot predhodnik miofifibroblastov

Modeli sledenja genetskih linij pri miših so pokazali, da so periciti (in druge perivaskularne celice) glavni vir -SMA pozitivnih miofibroblastov v mišjih modelih ledvične fifibroze [51,52]. Dejansko je nedavna elegantna študija, ki je vključevala enocelično RNA-sekvenciranje, natančno določila tri glavne vire miofibroblastov v človeških ledvicah: (i) NOTCH3 plus RGS5 plus PDGFR − periciti; (ii) MEG3 plus PDGFR plus fibroblasti; in (iii) COLEC11 plus CXCL12 plus fibroblasti [53]. Med diferenciacijo pericita v miofibroblast so opazili spremembe celičnega cikla, ki so skladne z diferenciacijo in ekspanzijo, obogatene poti pa so vključevale kanonično signalizacijo WNT in aktivatorskega proteina-1 (AP-1) ter aktiviranje transkripcije faktor 2 (ATF2), PDGFR, integrin, interakcija receptorjev zunajceličnega matriksa (ECM) in signalne poti TGF [53]. Prej je bilo dokazano, da majhen del celične populacije PDGFR plus sestoji iz perivaskularnih Gli1 plus progenitorjev, ki označujejo perivaskularno MSC-podobno celično populacijo, za katero je bilo dokazano, da prav tako ključno prispeva k fifibrozi organov, povzročeni s poškodbo, prek generiranja miofibroblastov [54] . Poleg tega je bilo dokazano, da z gliomom povezan onkogenski homolog 1 (Gli1) in izguba pericita inducirata redčenje kapilar in proksimalno tubulno poškodbo [55]. Opozoriti je treba, da so bili periciti predhodno povezani in so tesno povezani z MSC [56], zato se postavlja tudi vprašanje, ali je lahko podmnožica pericitov MSC in kot taka prispeva k regeneraciji ledvic. Pravzaprav so številne študije odkrile multipotentno vlogo pericitov v različnih tkivih, podobno progenitorju [35,57,58].

Skupaj mikrovaskularno redčenje neposredno prispeva k skupini miofibroblastov, ki so odgovorni za čezmerno generiranje proteinov ECM, ki so glavna sestavina brazgotinskega tkiva pri fibrozi. Poleg tega prehod iz pericita v miofibroblast povzroči odstop pericitov od žilne stene, kar povzroči nestabilne kapilare, ki bi same po sebi povzročile redčenje [52]. Kljub temu je glavni vpliv redčenja na patogenezo kronične ledvične odpovedi posledica izgube ledvične perfuzije, ki dodatno poslabša medularno ishemijo in spodbuja razvoj intersticijske fifibroze, ki je posredovana s povečanim izražanjem TGF- in rastnega faktorja vezivnega tkiva. (CTGF) [59]. Tako lahko mikrovaskularna redčenje dobro deluje kot profibrotično stikalo, ki omejuje hitrost, v patogenezi kronične odpovedi ledvic. Terapije, ki ciljajo na interakcijo med endotelijsko celico in pericitom, npr. usmerjene na signalizacijo receptorjev PDGFR ali VEGF, bi lahko preprečile prehod miofibroblastov in omejile razvoj fibroze [60–62], kar ponazarja ključno vlogo kapilarne mreže pri poškodbi ledvic in kot potencialna terapevtska tarča.

Na podlagi zgoraj navedenega je jasno, da zapletena vaskularna arhitektura ledvic ustvarja več perivaskularnih oddelkov, od katerih ima vsak svoje posebne funkcije in zahteve. Zato so potrebne prihodnje raziskave, ki se osredotočajo na poglobljeno klasifikacijo ledvičnih pericitov z opredelitvijo subpopulacij na podlagi njihove lokacije, celične morfologije in funkcije. Kot taki bi lahko novi načini slikanja, katerih cilj je neinvaziven dostop do majhnih krvnih žil, zagotovili te bistvene informacije. Kot je razvidno iz področja nevrobiologije [12], bi lahko natančno definirana kategorizacija različnih podtipov pericitov zagotovila nove poti za razvoj ciljne terapije za vaskularno okvaro.

4. Načini vaskularnega slikanja

Različne bolezni ledvic odražajo značilen vzorec ultrastrukturnih sprememb. Zaradi tehnološkega napredka na področju biomedicinskega slikanja so bili ledvični fiziološki in patofiziološki mehanizmi v zadnjih nekaj desetletjih razkriti [63]. Z osredotočanjem na anatomske in morfološke spremembe arhitekture tkiva se je naše znanje o ledvični bolezni postopoma povečevalo, kar je izboljšalo diagnostiko in zagotovilo inovativne možnosti zdravljenja. Vendar pa je bila dinamična sprememba krvnih žil večinoma prezrta zaradi izziva raziskovanja vaskularnega vedenja v poskusih časovnih vrst. Posledično obstaja neizpolnjena medicinska potreba po razvoju neinvazivnih slikovnih tehnik za spremljanje hemodinamike ledvične mikrocirkulacije [16].

Zanimivo bi bilo tudi povezati rezultate slikanja z (novimi) biomarkerji na področju vaskularne nefrologije. Na primer, dokazali smo, da so nekodirajoče RNA tesno povezane z vaskularno poškodbo [64,65]. Združevanje teh meritev lahko prinese nove (vzročne) odnose in nove možnosti za diagnozo. Še več, ko so nove slikovne modalitete povezane z nedavnim razvojem tehnik, ki temeljijo na eni celici, kot sta sekvenciranje RNA v eni celici in prostorska transkriptomika [53,66,67], bi to lahko omogočilo poglobljeno analizo sestave in dinamike brez primere. ledvičnega ožilja. Naslednji razdelki povzemajo že razpoložljive načine slikanja ex vivo in in vivo za raziskovanje morfoloških in funkcionalnih vidikov ledvične mikrovaskulature.

4.1. Ex vivo

Veliko našega znanja o ledvični mikrovaskulaturi izhaja iz celovite ex vivo analize tkivnih biopsij. V skladu s tem se celično zdravljenje pogosto ocenjuje z rezom in barvanjem tkiva. Čeprav obstaja veliko študij, ki preučujejo terapevtski učinek MSC na ledvično vaskulaturo [68], je le malo raziskovalnih skupin izkoristilo prednosti sofisticiranih načinov slikanja, kot je mikroračunalniška tomografija (mikro-CT), za oceno terapije MSC s preučevanjem 3D arhitekture. ledvične vaskulature [69–74].

4.1.1. Mikroračunalniška tomografija (Micro-CT)

Uvedba mikroračunalniške tomografije (mikro-CT) Flanneryja et al. [75] je leta 1987 odprl nove poti za preučevanje nedotaknjene vaskulature glodalcev, da bi pridobili znanje o mehanizmih bolezni z visoko prostorsko ločljivostjo. Ta način ex vivo je omogočil vizualizacijo ledvične mikrovaskularne arhitekture in kvantifikacijo glomerulnega števila, prostorske porazdelitve in volumna, ki se lahko uporablja kot indikator za patofiziološko stanje celotnega organa [76]. Ločljivost v enem 3D vidnem polju z 10.243 voksli je omogočila vizualizacijo aferentnih in eferentnih arteriol ter glomerularnih kapilar ledvic glodalcev. Pri podganah je bila uporabljena velikost rekonstituiranega voksla 21 µm [77], pri prašičih pa so preučevali ledvično vaskulaturo z velikostjo voksla 40 µm in vidnim poljem skeniranja 1,2 mm [78]. Napredek na področju mikro-CT je omogočil slikanje krvnih žil nefrona podgane z ločljivostjo vokselov 1 µm znotraj vidnega polja skeniranja 2 mm [79].

Na podlagi tehnike kvantifikacije, ki so jo razvili Hillman et al. [80] z uporabo običajnega CT so arhitekturo žil in prostornino žil v različnih predelih ledvičnega tkiva določili v skladu s podobnimi študijami, ki so ocenjevale ledvične žile na podlagi histoloških rezov tkiva [77]. Zanimivo je, da se je z uporabo načinov slikanja, kot je mikro-CT, povečal pomen raziskovanja peritubularnih kapilar in njihove vpletenosti v patološka stanja poleg običajnega načina razmišljanja o vlogi glomerulne kapilarne mreže.

Zgodnje strukturne spremembe mikrovaskulature je mogoče vizualizirati in zaznati z mikro-CT, zato ni presenetljivo, da je bilo z mikro-CT identificiranih več molekularnih mehanizmov na vaskularni ravni, ki so vpleteni v ledvično bolezen. V različnih modelih ledvične bolezni, na primer pri policistični ledvični bolezni (PKD), je bila opisana korelacija med patologijo in zmanjšano mikrovaskulaturo, kot je bilo ugotovljeno z mikro-CT z ločljivostjo velikosti voksela 17 µm [81]. Poleg tega so pri hiperholesterolemiji opazili povečano kortikalno mikrovaskularno gostoto kot zgodnji znak progresivne morfološke okvare ledvic [78]. Pri podganah s kronično ligacijo žolčevodov so z mikro-CT odkrili kortikalno hipoperfuzijo, kar lahko pojasni motnje zadrževanja soli in vode z nadaljnjim napredovanjem bolezni [82]. Poleg tega je bil pri stenotičnih ledvicah povečan oksidativni stres povezan z ledvičnim mikrovaskularnim preoblikovanjem, možnosti zdravljenja pa so bile predlagane s kronično antioksidativno intervencijo [83].

Velika prednost mikro-CT je, da je mogoče definirati aksialno in radialno geometrijo žilnih sistemov [84]. Poleg vizualizacije vaskularne arhitekture ledvic v 3D je mogoče oceniti prostorsko gostoto mikrožil [78,83], določiti je mogoče gostoto in velikost žil s premerom do 80 µm v različnih anatomskih predelih ledvic [77,78,83,85]. ] in opaziti je mogoče zavitost žil [83]. Poleg tega je mogoče znotraj skorje razločiti in kvantificirati vaskularni kapilarni volumen glomerulov, pa tudi peritubularne kapilare [82].

Standardizirani protokol kvantifikacije se pogosto uporablja za raziskovanje mikrovaskularnih sprememb znotraj dobro definiranih kortikalnih in medularnih predelkov na strukturni ravni, da se določi gostota in premer žil [77,82]. Ngo et al. [84] so izvedli primerjalno študijo mikro-CT in svetlobne mikroskopije ter ugotovili, da je kvantifikacija geometrije ledvične vaskulature, pridobljene z mikro-CT, izvedljiva in natančna tehnika. Edina dodana vrednost svetlobnega mikroskopskega slikanja v primerjavi z mikroCT je ta, da omogoča razlikovanje med arterijami in venami z možnostjo vizualizacije žilne stene. Z uporabo mikro-CT pa bi lahko arterije s premerom 100 oziroma 60 µm podgan in zajcev vizualizirali v 3D. Vendar pa majhnih krvnih žil, manjših od 10 µm, ni mogoče pravilno identificirati z mikro-CT, zaradi česar se je treba vrniti k imunohistokemiji, da bi zajeli tudi najmanjše ledvične kapilare [85].

4.1.2. Fluorescenčna mikroskopija svetlobnih plošč (LSFM)

Z uvedbo fluorescenčne mikroskopije svetlobnih plošč (LSFM) je danes mogoče doseči visoko ločljivo slikanje velikih količin v razumnem času [86,87]. Zaradi razpoložljivosti LSFM se je zanimanje premaknilo z rutinsko uporabljenih konvencionalnih histoloških tehnik, ki vključujejo rez tkiva, čemur sledi obarvanje mikrovaskulature, proti slikanju tkiva kot celote. Volumetrična analiza je ugodna, ker ni pregledan le izbrani del tkiva, temveč se v 3D-pogledu ohrani tudi dinamični značaj arhitekture in obnašanja žile.

Za ohranitev 3D-informacij se biološki vzorec naredi prosojen z različnimi protokoli za čiščenje optičnega tkiva (OTC), da se zmanjša sipanje svetlobe in absorpcija svetlobe za nadaljnje fluorescenčno barvanje s FL [87]. V zadnjih letih so metode OTC postale priljubljene, saj je 3D slikanje omogočilo preučevanje nedotaknjenih organov zaradi sodobnega napredka LSFM. Konstrukcijo nedotaknjenega organa ali celo cele živali z ločljivostjo na celični ravni v 3D je mogoče pridobiti v nekaj minutah [88]. Z ločljivostjo, ki je primerljiva s konfokalno fluorescenčno mikroskopijo FL, pa ima LSFM za dva reda velikosti boljše razmerje med signalom in šumom, dramatično zmanjša beljenje fluoroforja FL in fototoksičnost, kar omogoča obsežno obdelavo slik, potrebno za OTC [89]. Dodatne prednosti so večje število posnetih sličic in hitrost snemanja, skupno trajanje slikanja pa je veliko krajše.

Vse od uvedbe LSFM je bilo več OTC protokolov izboljšanih in izpopolnjenih za različne vzorce tkiv in organov, pridobljenih iz več vrst. V zadnjih letih se netoksično čiščenje na osnovi topil z etil cinamatom (ECi) široko uporablja za čiščenje mišjih ledvic [88,90,91]. Ta protokol je manj zamuden, kot na primer pionirski protokoli CLARITY (jasno slikanje z akrilamidnim hibridiziranim čistim lipidom), CUBIC (jasni, neovirani koktajli slikanja možganov/telesa in računalniška analiza) in/ali DISCO (tridimenzionalno slikanje organov, očiščenih s topilom), vendar ponuja razmeroma razumno čiščenje ledvic z majhno količino preostale avtofluorescence. Izjemno delo so opravili Ertürk in sodelavci [92], ki so uspešno očistili celotno človeško ledvico z novim pristopom permeabilizacije tkiva, imenovanim SHANEL (učinkovito čiščenje in označevanje človeških organov, posredovano z majhnimi micelami). Ugotovljeno je bilo, da ima cona korteksa dimenzije okoli 2742 ± 665 mm (povprečje ± SD), ki vsebuje glomerularne kapilare s premerom 221 ± 37 mm, aferentna arteriola pa ima premer 71 ± 28 mm. Poleg tega je bil na področju nevroznanosti razvit zelo sofisticiran okvir, ki temelji na globokem učenju, za kvantifikacijo nevronske vaskulature po OTC, imenovan VesSAP (vessel segmentation & analysis pipeline) [93].

Kljub dejstvu, da je bil v zadnjih letih na področju OTC dosežen velik napredek, nekatere pomanjkljivosti še vedno ostajajo, saj izražanje endogenih fluoroforjev FL večinoma ni zadovoljivo ohranjeno, kar omejuje uporabo transgenih živali. Vendar pa je glavna skrb, da se morfološka velikost tkiva in posledično vaskulature spremeni zaradi močnih topil, potrebnih za OTC. Poleg tega je ogromna količina podatkov, ki jih proizvede LSFM, še vedno izziv, ne samo za pravilno shranjevanje in obdelavo podatkov, ampak tudi za kvantitativno analizo [87].

Na kratko, ena pomembna prednost uporabe tehnik, kot sta mikro-CT ali SFM, je ta, da je mogoče zajeti prostorsko porazdelitev žil in identificirati strukturno redčenje žilnega omrežja s primerno ločljivostjo za slikanje skoraj vseh ledvičnih kapilarnih struktur. Vendar obe tehniki zahtevata fiksacijo in ju je zato mogoče izvesti samo ex vivo. Za spremljanje morfoloških in funkcionalnih sprememb ledvične mikrovaskulature so zaželene strategije časovnega slikanja in vivo.

4.2. In Vivo

Uporaba načinov slikanja in vivo bi ponudila priložnost za oceno celične terapije v realnem času in validacijo možnih terapevtskih učinkov na vaskularni ravni. Posledično je napredek na področju biomedicinskega slikanja in vivo nujen za preučevanje učinkov MSC na ledvično vaskulaturo. Le nekaj študij je uporabilo slikanje in vivo za preučevanje delovanja MSC z uporabo večfotonske mikroskopije (MPM) [94], CT [95,96] in slikanja z magnetno resonanco (MRI) [95–97].

4.2.1. Večfotonska mikroskopija (MPM)

Večfotonska mikroskopija (MPM) je odvisna od hkratne absorpcije dveh ali več fotonov samo znotraj goriščne ravnine, ki je postala dostopna leta 1995 [98]. Dinamične procese je mogoče vizualizirati in vivo na celični ravni in poleg preučevanja ledvičnega vaskularnega krvnega pretoka [63] MPM ponuja možnost spremljanja različnih ledvičnih mikrovaskularnih segmentov v realnem času. Visoka ločljivost omogoča vizualizacijo aferentnih in eferentnih arteriol ter glomerularnih kapilar. Čeprav je tehnično možen dostop do medularne mikrocirkulacije, ostaja izziv zaradi globine penetracije [98]. Vendar pa je mogoče vizualizirati celoten glomerul s približnim premerom 100 µm in pridobiti dostop do dinamičnih procesov na celični ravni.

Pomembno je, da je in vivo mikrovaskularno uhajanje mogoče vizualizirati in kvantificirati z ekstravazacijo Evansove modre v fibrotičnih ledvicah z MPM [99]. Število prekrvavljenih kapilar je bilo kvantificirano in premer je bil določen daleč pod 10 µm. Pred kratkim je naša raziskovalna skupina uporabila MPM, da bi zagotovila in vivo dokaze, da so ledvični organoidi, pridobljeni iz človeških pluripotentnih matičnih celic (hPSC), tvorili funkcionalno povezavo s predhodno obstoječo ledvično vaskulaturo pri miših po ledvični subkapsularni presaditvi [100,101].

Prednosti MPM so odsotnost fluorescence FL zunaj žarišča in omejeno fotobeljenje znotraj žariščne regije [98]. Vendar pa je ena od pomanjkljivosti omejena globina slikanja, ki zahteva uporabo okna za slikanje trebuha za dostop do ledvične vaskulature in vivo [102,103]. To trebušno okno omogoča in vivo slikanje od nekaj tednov do enega meseca; vendar pa vstavitev takega slikovnega okna zahteva invazivno operacijo in je povezana z možnostjo vnetja. Poleg tega se slikovna okna včasih izgubijo in lahko pride do nekroze tkiva [102]. Očitno tega načina slikanja ni mogoče prevesti v klinično prakso.

Zanimiva alternativa za neinvazivno spremljanje kapilarnega krvnega pretoka ob postelji je dosegljiva od uvedbe ročne vitalne mikroskopije (HVM) v klinično prakso [104]. Čeprav ta način slikanja temelji na popolnoma drugačni tehnologiji, tj. videomikroskopih s stranskim tokom in vpadnim temnim poljem, ponuja oceno površinskih kapilar v realnem času. Novi klinično implementirani algoritmi, znani kot programski paketi MicroTools, omogočajo avtomatizirano analizo mikrovaskularnega slikanja celotne in perfuzirane gostote žil za dostop do angiogeneze, dilatacije/zožitve žil in ravnotežja tekočine ter zmogljivosti dostave kisika na podlagi kapilarnega hematokrita in hitrosti eritrocitov [105]. ]. Vendar ti načini niso primerni za preučevanje ledvične mikrovaskulature zaradi omejene globine penetracije.

4.2.2. Računalniška tomografija (CT)

Za določitev vloge mikrovaskulature pri napredovanju bolezni v kronično ledvično bolezen so zelo potrebni neinvazivni načini slikanja, s katerimi je mogoče spremljati in kvantificirati morfološke in funkcionalne spremembe ledvične mikrovaskulature. Čeprav je bila vzročna povezava med redčenjem kapilar in napredovanjem ledvične fibroze priznana že več let, Ehling et al. [3] so prvi izvedli neinvazivne kvalitativne in kvantitativne analize anatomskih in funkcionalnih žilnih sprememb med napredovanjem kronične ledvične bolezni. Postopno zmanjševanje volumna ledvične krvi so opazili z in vivo mikro-CT s kontrastom pri treh mišjih modelih s progresivno ledvično fifibrozo, tj. ishemijsko-reperfuzijsko poškodbo (IRI), enostransko obstrukcijo sečnice in Alport mišmi. Poleg funkcionalnih sprememb mikrožil je peritubularna vaskularna izguba korelirala s tvorbo fibrotičnega tkiva v vseh treh modelih miši s kronično ledvično boleznijo. Vendar je bil za pridobitev informacij o točkah vej, premeru žil in zavitosti potreben ex vivo mikroCT, kar kaže na potrebo po nastajajočih tehnologijah biomedicinskega slikanja, ki omogočajo dostop do mikrožil in vivo z ločljivostjo, ki je blizu celične.

Velika prednost CT je, da se vizualizacija ledvične vaskulature pridobi v nekaj minutah z razumno ločljivostjo, kar zagotavlja 3D informacije o vaskularni organizaciji. Z uporabo kontrastnih sredstev na osnovi joda se poveča kontrast in doseže še podrobnejši prikaz mikrovaskulature. Pred kratkim je bila kvalitativna in kvantitativna ocena mišjih ledvic v fizioloških in patoloških pogojih z mikro-CT izboljšana s perfuzijo s fosfovolframovo kislino (PTA), da se poveča kontrast v krvnih žilah [106]. Kljub omejitvi, da arterij in ven ni bilo mogoče jasno razlikovati med seboj, je ločljivost z velikostjo voksela 40 µm in vivo in velikostjo voksela 12,5 µm ex vivo zajela organizacijo do ravni ločnih krvnih žil.

Druga velika pomanjkljivost uporabe CT za spremljanje ledvične bolezni pa je potreba po uporabi jodiranih radiografskih kontrastnih sredstev. Znano je, da ta kontrastna sredstva povzročajo nefrotoksičnost, kar je kontraindikacija za klinično uporabo pri bolnikih z že obstoječo ledvično okvaro [107–109]. Akutna okvara ledvic zaradi apliciranega kontrastnega sredstva spremeni ledvično hemodinamiko in povzroči medularno hipoksijo, ki je še posebej nezaželena pri preiskavah ledvične mikrovaskularne redkosti. Podobno se kontrastna sredstva na osnovi gadolinija, ki se pogosto uporabljajo pri MRI, izločajo skozi ledvice in zdi se, da povzročajo okvaro ledvic [110].

4.2.3. Slikanje z magnetno resonanco (MRI)

MRI je bil uveden v klinično prakso v osemdesetih letih prejšnjega stoletja in je takoj postal ena najpogosteje uporabljenih slikovnih tehnik [111]. MRI je neinvaziven in neionizirajoč način slikanja, ki uporablja močno magnetno polje in z uporabo spremembe kontrastnega sredstva T1 in T2 je mogoče zaznati sprostitvene lastnosti krvi. Poleg tega magnetnoresonančna angiografija (MRA) vizualizira vaskularno arhitekturo majhnih živali z uporabo kontrastnega sredstva na osnovi gadolinija. Vendar pa je glavna pomanjkljivost MRA težka uporaba zahtevanega kontrastnega sredstva. Na srečo je ledvično perfuzijo mogoče določiti s potrebo po kontrastnih sredstvih in brez njih, kar ponuja tako prednosti kot omejitve [112].

Brez uporabe kontrastnega sredstva centrifugalno označevanje izkorišča endogeno vodo kot difuzibilni sledilnik, ki omogoča samo kvantificiranje perfuzije v ledvični skorji, saj je čas medularnega prehoda predolg, da bi ga lahko zajeli. Poleg tega se za določitev ledvičnega krvnega pretoka merijo fazni premiki vrtljajev vzdolž ene smeri, kar pomeni potrebo po pravokotni ravnini slikanja proti arterijam, ki nas zanimajo, da bi dosegli natančno meritev [112]. Zato ni presenetljivo, da ta tehnika predstavlja velik izziv, ko gre za vizualizacijo ledvičnih arterij, da ne omenjamo majhnih kortikalnih kapilar.

Funkcionalnost žil je mogoče določiti s kvantificiranjem RBF z MR-perfuzijo in spremljanjem stanja oksigenacije s slikanjem s kontrastom, odvisnim od ravni kisika v krvi (BOLD) [112,113]. Vendar pa je glavna omejitev funkcionalne MRI doseganje zanesljivih in ponovljivih rezultatov v organih, na katere vplivajo dihalni gibi, kar vključuje ledvico, čeprav je manj dovzetna za artefakte gibanja v primerjavi z jetri ali črevesjem [112]. Kljub dejstvu, da so študije izvedljivosti, izvedene s funkcionalno MRI z močjo 1,5 tesla, veliko obetale pri izvajanju kvantifikacije po vokselih [114], je bilo perfuzijske nenormalnosti mogoče zaznati samo na patoloških območjih, kar postavlja vprašanje, ali bodo manjše žilne spremembe zadostno odkrite. Z uvedbo skenerja MRI z jakostjo magnetnega polja 3.0 Tesla se je razmerje med signalom in šumom izjemno izboljšalo [115,116], vendar pa pridobljena ločljivost ostaja problem.

Ločljivost, ki jo zagotavlja MRI, je v glavnem odvisna od jakosti magnetnega polja in jo je mogoče optimizirati za katero koli dano magnetno polje s prilagajanjem impulznih sekvenc [111]. Prostorska ločljivost je omejena predvsem z razmerjem signal/šum, ki zahteva hiter čas pridobivanja in na splošno doseže ločljivost 3 × 4 mm v velikosti slikovnih pik [117]. Tudi če je uporabljeno visoko magnetno polje 7 tesla, je najboljša ločljivost, ki jo lahko dosežete z BOLD, približno 500 µm. Poleg nezadovoljive ločljivosti in omejitve pri vizualizaciji večine dinamičnih procesov je še ena velika pomanjkljivost ta, da je magnetna resonanca povezana z visokimi stroški in zahteva posebne prostore in vzdrževanje.

4.2.4. Ultrazvok

Napredek pri ultrazvoku je uvedel spremembo paradigme za neinvazivno spremljanje strukturnih in funkcionalnih ledvičnih mikrovaskularnih sprememb in odprl nove poti za raziskovanje majhnih žil s prenosnim sistemom po relativno nizki ceni. Pri podganjem modelu akutne ishemije, ki jo je povzročila huda 1-urna hipoperfuzija, so ocenili ledvični pretok krvi v realnem času z uporabo barvnega in pulznega (PW) Dopplerjevega ultrazvoka [118]. Barvno dopplersko slikanje je razkrilo tudi težave pri vizualizaciji arkuatnih arterij zaradi njihove sorazmerno majhne velikosti in pravokotnega položaja sonde za zajem arterijskega pretoka, potrebnega za izračun hitrosti krvi in ​​uporabo korekcije Dopplerjevega kota. Vendar je bilo mogoče hitrost krvi izračunati samo na intrarenalnih arterijah, tj. segmentnih, interlobarnih in arkuatnih arterijah. V skladu s tem informacij o mikrocirkulaciji ni bilo mogoče pridobiti zaradi omejitve ločljivosti, ki jo zagotavlja običajni ultrazvok.

Z uvedbo ultra hitre Dopplerjeve ultrazvočne tehnologije bi lahko večjo ločljivost dosegli z neosredotočenim prenosom valov, ki pošilja več sinhronih valov z visoko hitrostjo sličic hkrati v enem celotnem vidnem polju, namesto skeniranja vrstice za vrstico z uporabo prenos fokusiranega žarka [119]. Ta prenos ravnih valov je temeljni koncept ultrahitrega Dopplerjevega ultrazvočnega slikanja in omogoča odkrivanje kortikalnih žil presajene človeške ledvice s premerom pod 1 mm [120]. Poleg tega ultrahitri Dopplerjev ultrazvok zagotavlja zelo ugodno tehniko in vivo za spremljanje ledvične mikrovaskularne redkosti v predkliničnih študijah (slika 3A). Kljub napredku ultrahitrega Dopplerjevega ultrazvoka je dostop do kapilarne ravni še vedno odvisen od uporabe sredstev za izboljšanje kontrasta [121]. Kljub temu ni omembe vrednih varnostnih pomislekov pri uporabi kontrastnega sredstva za Dopplerjev ultrazvok, zlasti v primerjavi s kontrastnimi sredstvi za CT in MRI, ki pogosto kažejo nefrotoksičnost [122]. Vendar pa je in vivo mogoče doseči neverjetno ločljivost mišje ledvične vaskulature (slika 3B).

Ultrazvočna lokalizacijska mikroskopija (ULM) je rešila kompromis med prostorsko ločljivostjo in globino penetracije tako, da je na eni strani uporabila ultrahitro Dopplerjevo ultrazvočno slikanje in na drugi strani uporabila ultrazvočna kontrastna sredstva v obliki mikromehurčkov, napolnjenih s plinom. [121,123,124]. Med drugim Errico et al. [123] je predlagal ULM za slikanje lobanjskih mikrožil s premerom 10 µm po celotni globini mišjih možganov, ki so debeli približno 10 mm. V nedavni publikaciji so Demené et al. [125] bi lahko zajeli dinamiko cerebrovaskularnega pretoka krvi na mikroskopski ravni globoko v človeških možganih s sledenjem intravensko vbrizganim mikromehurčkom posamično, da bi izboljšali slikanje v super ločljivosti in omogočili vaskularno ločljivost do 25 µm. Da bi razumeli ta osupljivi dosežek, je ključnega pomena omeniti, da noben drug neinvazivni način slikanja ne bi mogel vizualizirati mikrovaskulature in vivo pod milimetrsko lestvico. Da bi dosegli to izjemno prostorsko ločljivost in vivo, je bilo treba premagati dva glavna izziva: aberacijo lobanje in artefakte gibanja. Čeprav uporaba ULM za trebušne organe, kot je ledvica, ni ovirana zaradi aberacije kostnih struktur, predstavljajo artefakti gibanja veliko težavo. Vendar pa so nedavne študije in vivo uspešno zagotovile prve poskuse slikanja ledvične vaskulature z ULM [5,126,127].

V podganji ledvici je bilo mogoče razlikovati različne vaskularne predele in z uporabo mikromehurčkov je bila ločljivost povečana za vizualizacijo tankih žilnih snopov vasa recta, ki so ločeni z razdaljo 400 µm drug od drugega [5]. Poleg tega je bila aksialna hitrost krvi, tj. pod 2 mm/s, povezana s pretokom ledvičnih mikrožil, ocenjena s sledenjem vbrizganim mikromehurčkom s premerom 1 µm, ki lahko dosežejo premer žile, manjši od 20 µm. Song idr. [127] so posneli ledvične kortikalne mikrožile kuncev in lahko jasno ločili žile in vivo s premerom 76 µm. Čeprav je bilo dihalno gibanje mogoče popraviti, so artefakti gibanja izven ravnine še vedno izziv in jih je nemogoče popraviti, saj slikovnih informacij ni bilo mogoče v celoti pridobiti [5].

Pred kratkim so preučevali napredovanje AKI v CKD z ultrahitrim Dopplerjevim ultrazvokom s kontrastom na mišjem modelu enostranske IRI [6]. Z injiciranjem mikromehurčkov so identificirali 32 µm majhne ledvične krvne žile in kvantificirali žilne spremembe v ledvicah, tj. volumen ledvične krvi, gostoto žil in zavitost. Vaskularna gostota korteksa in kortikomedularnega spoja, pridobljena z ultrazvokom med slikanjem in vivo, je bila v skladu s kvantifikacijo, pridobljeno po imunskem obarvanju CD31, ki je priznan kot zlati standard v vaskularni biologiji. To je v skladu z drugo študijo, ki so jo izvedli Cao et al. [128], ki ponazarja, da je resnost AKI mogoče določiti z ultrazvokom s kontrastom z injiciranjem mikromehurčkov. Meritve ledvične perfuzije in vivo so tesno povezane z ledvično poškodbo, ugotovljeno na histološki ravni.

V skladu s temi ultrazvočnimi študijami so Hueper et al. [7] je pred tem predlagal, da lahko ledvična perfuzija napove napredovanje AKI v kronično ledvično bolezen, določeno z MRI.

Ultrazvočno slikanje ledvične vaskulature z mikromehurčki je bilo že uspešno izvedeno pri ljudeh za določitev ledvične mikrovaskularne perfuzije in je pokazalo velike možnosti za diagnozo [129–133]. Zanimivo je, da je bil ta način slikanja uporabljen pri presaditvi ledvic za določitev stanja perfuzije ledvičnih alogenskih presadkov, kar lahko zagotovi ustrezen neinvaziven odčitek za napovedovanje akutne zavrnitve [134]. Poleg odvisnosti od operaterja, ki lahko predstavlja omejitev pri uporabi ultrazvoka, je bila moč soglasja med opazovalcema zelo visoka med dvema bralcema, kar odraža veliko izvedljivost pri uporabi v kliničnem okolju [132]. Ultrazvok z mikromehurčki z okrepljenim kontrastom zaradi prenosljivosti ter časovno prihranljive in enostavne prilagojene aplikacije ponuja odlične možnosti za ocenjevanje ledvične mikrovaskulature v klinični praksi, zlasti pri bolnikih na intenzivni negi [135]. Ta tehnologija zato ponuja veliko obljub za prenos v klinično prakso po uspešnem obvladovanju korekcije artefaktov gibanja trebuha za robustno sledenje mikromehurčkom z visoko natančnostjo.

5. Sklepi in perspektive

Osupljiva heterogenost vaskularne arhitekture ledvic odraža njeno zapleteno funkcionalno raznolikost in razdeljenost, z logično posledico, da preučevanje mikrovaskularnih sprememb in redčenja zahteva sofisticirane načine slikanja. Razvoj, uporaba in izboljšanje načinov slikanja in vivo za preučevanje ledvičnih vaskularnih bolezni bo zagotovil boljše razumevanje delovanja celičnih terapij, kot je MSC, na vaskularni ravni in lahko razjasni specifične biomarkerje, ki jih je mogoče spremljati med napredovanjem bolezni.

Reference

1. Chade, AR Struktura in redčenje ledvičnih žil. Kompr. Physiol. 2013, 3, 817–831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Majhne žile, velika vloga: ledvična mikrocirkulacija in napredovanje ledvične poškodbe. Hipertenzija 2017, 69, 551–563. [CrossRef] [PubMed]

3. Ehling, J.; Bábícková, J.; Gremse, F.; Klinkhammer, BM; Baetke, S.; Knochel, R.; Kiessling, F.; Floege, J.; Lammers, T.; Boor, P. Kvantitativno mikroračunalniško tomografsko slikanje vaskularne disfunkcije pri progresivnih boleznih ledvic. J. Am. Soc. Nefrol. 2016, 27, 520–532. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, TK; Knicely, DH; Grams, ME. Diagnoza in zdravljenje kronične ledvične bolezni: pregled. Physiol. Obnašaj se. 2019, 322, 1294–1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Zhang, H.; Ilovitsh, T.; Mahakian, L.; Tam, S.; Ferrara, KW Ultrazvočna lokalizacijska mikroskopija za slikanje in oceno mikrovaskulature v podganji ledvici. Sci. Rep. 2017, 7, 13662. [CrossRef] [PubMed]

6. Chen, Q.; Yu, J.; Rush, BM; Stocker, SD; Tan, RJ; Kim, K. Kidney Int. 2020, 98, 355–365. [CrossRef] [PubMed]

7. Hueper, K.; Gutberlet, M.; Rong, S.; Hartung, D.; Mengel, M.; Lu, X.; Haller, H.; Wacker, F.; Meier, M.; Gueler, F. Akutna poškodba ledvic: Označevanje arterijskega vrtenja za spremljanje ledvične perfuzijske okvare pri miših – primerjava s histopatološkimi rezultati in delovanjem ledvic. Radiologija 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

8. Levy, BI; Schiffrin, EL; Mourad, JJ; Agostini, D.; Vicaut, E.; Safar, ME; Struijker-Boudier, HA Motena tkivna perfuzija je patologija, ki je skupna hipertenziji, debelosti in diabetesu mellitusu. Naklada 2008, 118, 968–976. [CrossRef]

9. Carmeliet, P.; Jain, RK Molekularni mehanizmi in klinične aplikacije angiogeneze. Narava 2011, 473, 298–307. [CrossRef]

10. Molema, G.; Aird, WC Vaskularna heterogenost v ledvicah. Semin. Nefrol. 2012, 32, 145–155. [CrossRef]

11. Armulik, A.; Abramson, A.; Betsholtz, C. Interakcije endotelija/pericita. Circ. Res. 2005, 97, 512–523. 03.16652.d7. [CrossRef]

12. Attwell, D.; Mishra, A.; Hall, CN; O'Farrell, FM; Dalkara, T. Kaj je pericit? J. Cereb. Pretok krvi Metab. 2016, 36, 451–5. [CrossRef]

13. Evans, RG; Eppel, GA; Anderson, WP; Denton, KM Mehanizmi, na katerih temelji diferencialni nadzor krvnega pretoka v ledvični meduli in skorji. J. Hipertenzija. 2004, 22, 1439–1451. [CrossRef]

14. Pallone, TL; Silldorff, EP; Turner, MR Intrarenalni krvni pretok: mikrovaskularna anatomija in regulacija medularne perfuzije. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1998, 25, 383–392. doi:10.1111/j.1440-1681.1998.tb02220.x. [CrossRef]

15. Pallone, TL; Edwards, A.; Mattson, DL Ledvična medularna cirkulacija. Kompr. Physiol. 2012, 2, 97–140. [CrossRef] [PubMed]

16. Guerci, P.; Ergin, B.; Ince, C. Makro- in mikrocirkulacija ledvic. Najboljša praksa. Res. Clin. Anesteziol. 2017, 31, 315–329. [CrossRef]

17. Shaw, I.; Rider, S.; Mullins, J.; Hughes, J.; Péault, B. Periciti v ledvični vaskulaturi: Vloga pri zdravju in bolezni. Nat. Rev. Nephrol. 2018, 14, 521–534. [CrossRef]

18. Rosivall, L.; Peti-Peterdi, JJ Heterogenost aferentne arteriole - korelacije med morfologijo in funkcijo. Nefrol. Dial. Presaditev. 2006, 21, 2703–2707. [CrossRef]

20. Štefanska, A.; Kenyon, C.; Christian, HC; Buckley, C.; Shaw, I.; Mullins, JJ; Péault, B. Človeški ledvični periciti proizvajajo renin. Kidney Int. 2016, 90, 1251–1261. [CrossRef]

20. Schlondorff, DO Pregled dejavnikov, ki prispevajo k patofiziologiji progresivne ledvične bolezni. Kidney Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

21. Pallone, TL; Zhang, Z.; Rhinehart, K. Fiziologija ledvične medularne mikrocirkulacije. Am. J. Physiol. Ren. Physiol. 2003, 284, F253–66. [CrossRef] [PubMed]

22. Pallone, TL. Kompleksni žilni snopi, debeli naraščajoči kraki in akvaporini: izvijanje zunanje medule. Am. J. Physiol. Ren. Physiol. 2014, 306, 505–506. [CrossRef] [PubMed]

23. Zimmerhackl, BL; Robertson, CR; Jamison, RL Medularna mikrocirkulacija. Kidney Int. 1987, 31, 641–647. [CrossRef] [PubMed]

24. Dumas, SJ; Meta, E.; Borri, M.; Luo, Y.; Li, X.; Rabelink, TJ; Carmeliet, P. Fenotipska raznolikost in presnova. Nat. Rev. Nephrol. 2021, 1–24. [CrossRef]

25. Dumas, SJ; García-Caballero, M.; Carmeliet, P. Presnovni znaki različnih endotelijskih fenotipov. Trendi Endocrinol. Metab. 2020, 31, 580–595. [CrossRef]

26. Jourde-Chiche, N.; Fakhouri, F.; Dou, L.; Bellini, J.; Burley, S.; Format, M.; Jarrot, PA; Kaplanski, G.; Le Quintrec, M.; Pernin, V.; et al. Struktura in funkcija endotelija pri zdravju in bolezni ledvic. Nat. Rev. Nephrol. 2019, 15, 87–108. [CrossRef]

27. Dolgi, DA; Norman, JT; Dobro, LG. Obnova ledvične mikrovaskulature za zdravljenje kronične ledvične bolezni. Nat. Rev. Nephrol. 2012, 8, 244–250. [CrossRef]

28. Choi, YJ; Chakraborty, S.; Nguyen, V.; Nguyen, C.; Kim, BK; Šim, SI; Suki, WN; Truong, LD Peritubularna kapilarna izguba je povezana s kronično tubulointersticijsko poškodbo pri človeških ledvicah: spremenjena ekspresija vaskularnega endotelijskega rastnega faktorja. Hum. Pathol. 2000, 31, 1491–1497. [CrossRef]

29. Ishii, Y.; Sawada, T.; Kubota, K.; Fuchinoue, S.; Teraoka, S.; Shimizu, A. Poškodba in progresivna izguba peritubularnih kapilar pri razvoju kronične alogenske nefropatije. Kidney Int. 2005, 67, 321–332. [CrossRef]

30. Serón, D.; Alexopoulos, E.; Raftery, MJ; Hartley, B.; Cameron, JS Število intersticijskih kapilarnih presekov, ocenjenih z monoklonskimi protitelesi: Povezava z intersticijsko poškodbo. Nefrol. Dial. Presaditev. 1990, 5, 889–893. [CrossRef]